Alma Mater Studiorum – Università di Bologna
DOTTORATO DI RICERCA IN BIOLOGIA E
FISIOLOGIA CELLULARE
Ciclo XXI
Settore scientifico-disciplinare di afferenza: BIO-09
INFIAMMAZIONE E CANCRO: L’INTERAZIONE
COX-2/CA-IX PROMUOVE IL POTENZIALE
INVASIVO E LA SOPRAVVIVENZA IN IPOSSIA
DELLE CELLULE DEL CANCRO COLON-RETTALE
Dott.ssa Paola Paterini
Coordinatore Dottorato
Relatore
Prof.ssa Michela Rugolo
Prof.re Vittorio Tomasi
Correlatore
Prof.re Guido Biasco
Esame finale anno 2010
Ringrazio il Prof.re Vittorio Tomasi, il Prof.re Guido Biasco e la Dott.ssa Maria
Pantaleo che hanno creduto in questa ricerca. La Prof.ssa Michela Rugolo per la
sua disponibilità. Gli amici e colleghi Dott.ssa Giulia Piazzi e Dott.re Pasquale
Sansone con cui ho lavorato in stretto contatto per la realizzazione di questo
studio. Tutti coloro che hanno reso possibile questo lavoro Dott.re Antonio
Strillacci, Dott.re Claudio Ceccarelli, Dott.re Massimiliano Bonafè, Prof.ssa
Tiziana Guarnieri, Dott.ssa Simona Tavolari, Dott.ssa Donatella Santini. Inoltre
vorrei esprimere la mia sincera gratitudine al Dott.re Pasquale Chieco per
l’elaborazione statistica dei dati ed alla Dott.ssa Vilma Mantovani responsabile
del settore di Biologia Molecolare del Centro di Ricerca Biomedica Applicata in
cui è stato svolto questo studio.
1
Ad Antonello e Francesca
e ai miei genitori
2
Cyclooxygenase-2/Carbonic
anhydrase-IX
up-regulation
promotes invasive potential and hypoxia survival in colorectal
cancer cells
Purpose: Cyclooxygenase-2 (COX-2) is a major mediator of inflammation,
playing a pivotal role in colorectal carcinogenesis. Hypoxia is an universal
hallmark of solid tumour in vivo. This investigation was prompted by the
observation that in colorectal cancer cells the expression of COX-2 protein is
positively correlated with that of the hypoxia survival gene Carbonic AnhydraseIX (CA-IX).
Experimental Design: Since COX-2 gene expression and activity is increased in
hypoxia, and that CA-IX is expressed also in normoxia in colorectal cancer cells,
we tested the hypothesis that COX-2 activity in normoxia, as well as in hypoxia
may be functionally linked to that of CA-IX gene. We investigated the role of
COX-2 and CA-IX in colorectal cancer cell lines. In this regard, we performed
RNA interference to knockdown COX-2 gene in vitro and immunohistochemistry
to evaluate the protein expression of COX-2 and CA-IX in human colon cancer
tissue specimens ex vivo.
Results: We found that COX-2, by PGE2 production, controls CA-IX gene
expression in an ERK dependent manner. In line with this finding, we also
showed that the COX-2 inhibition by a specific short harpin COX-2 RNA
(shCOX-2) or by a specific drug (SC-236), down-regulated CA-IX expression in
colon cancer cells. We then exposed colon cancer cells to hypoxia stimuli and
found that COX-2/CA-IX interplay promoted hypoxia survival. Moreover, we
also report that COX-2/CA-IX interplay triggers Matrix Metalloproteinase 2/9
(MMP-2/9) activation and enhances the invasiveness of colorectal cancer cells.
3
Thus given our above observations, we found that CA-IX and COX-2 protein
expressions correlate with more aggressive stage colorectal cancer tissues ex vivo.
Conclusions: Taken together these data indicate that COX-2/CA-IX interplay
promotes an aggressive phenotype (hypoxia survival and invasiveness) which can
be modulated in vitro by COX-2 selective inhibition and which may play a role in
determining the biological aggressiveness of colorectal tumours. Moreover, in
vitro and ex vivo data also suggest that the signatures of inflammation (COX-2)
and hypoxia (CA-IX) may be difficult to be disentangled in colon cancer, being
both responsible for the up-regulation of the same pathways.
This work was published in Journal of Cellular and Molecular Medicine 2009
Sep; 13(9B):3876-87.
4
INDICE
INTRODUZIONE……………………………………………….......7
Il Cardinoma del Colon retto…………………………………….....7
Epidemiologia…………………………………………………….7
Stadiazione e fattori prognostici……………………………….....9
Sindromi ereditarie associate al CRC…………………………...10
Eziopatogenesi…………………………………………………..12
Infiammazione e carcinoma del colon retto.……………………...17
Ciclo-ossigenasi 2 (COX-2)………………………………………...22
Ruolo biologico…………………………………………………22
COX-2 e cancro del colon………………………………………24
Ipossia e tumore…………………………………………………….28
HIF-1 α, gene chiave nel signalling dell’ipossia…………………..30
Anidrasi Carbonica IX (CA-IX)…………………………………..32
Ruolo biologico…………………………………………………32
CA-IX e tumore del colon retto…………………………………34
SCOPO DELLA TESI…………………………………………..…37
MATERIALE E METODI………………………………………...39
Colture cellulari…………………………………………………….39
Esposizione ad ipossia simulata tramite l’utilizzo di
desferossamina ed esposizione ad ipossia reale…………………39
Trattamenti farmacologici……………………………………….40
Valutazione della morte cellulare……………………………….40
Saggio di invasione cellulare……………………………………41
Silenziamento genico.........................................................................44
5
-Silenziamento transiente mediante la trasfezione di oligonucleotidi a
doppio filamento short interfering RNA (siRNA) con lipofectamina.44
-Trasfezione transiente di RNA a doppio filamento (siRNA) per il
silenziamento del gene CA-IX nelle HT-29 e del gene COX-2 nelle
HCT-116……………………………………………………………..46
Silenziamento stabile di COX-2 delle HT-29 e delle HCA-7 attraverso
l’anti COX-2 shRNA nel vettore retro virale pSUPER.retro………..46
Saggio luciferasico TOPFLASH…………………………………..52
Saggio ELISA per la determinazione delle PGE2………………...53
Zimografia…………………………………………………………..54
Estrazione dell’RNA e retro-trascrizione RT-PCR……………...55
Estrazione delle proteine e Western Blot…………………………57
Immunocitochimica………………………………………………...62
Pazienti……………………………………………………………...63
Procedura immunoistochimica………………………………........64
Analisi statistica…………………………………………………….67
RISULTATI………………………………………………………...69
L’espressione di COX-2 e la produzione di PGE2 promuovono
l’up-regolazione di CA-IX attraverso ERK…………………..69
L’interazione COX-2/CA-IX favorisce la capacità invasiva
delle cellule di cancro del colon……………………………......73
L’espressione del gene COX-2 aumenta la capacità di
sopravvivenza in ipossia delle cellule del cancro del colon
attraverso CA-IX……………………………………………….77
Il pathway COX-2/CA-IX promuove il potenziale invasivo
delle cellule del cancro del colon……………………………....88
L’alta espressione dei livelli proteici di COX-2 e CA-IX
correla con lo stadio tumorale nei pazienti con cancro del
colon (CRC)…………………………………………………….92
DISCUSSIONE E CONCLUSIONI………………………………97
BIBLIOGRAFIA………………………………………………….101
6
INTRODUZIONE
IL CARCINOMA DEL COLON-RETTO
Epidemiologia
Il carcinoma colon-rettale (CRC) è un tumore maligno dell’intestino crasso. Esso
rappresenta attualmente il 15% di tutti i tumori con frequenza massima negli Stati
Uniti, minima in Africa e in Estremo Oriente. In Europa e nei paesi occidentali, è
la seconda causa di morte nell’uomo (dopo i tumori del polmone) e nella donna
(dopo le neoplasie della mammella) anche se l’incidenza risulta essere maggiore
negli uomini [Edge, 2005].
Negli ultimi anni l’incidenza della malattia è diminuita come anche il tasso di
mortalità. Questa neoplasia si manifesta in forme sporadiche, CRC sporadico,
(85% dei casi) e in forme familiari ereditarie (15% dei casi). Tra le forme
ereditarie, dall’1% al 5% è costituito da forme poliposiche FAP (Familial
Adenomatous Polyposis syndrome) e da forme non poliposiche HNPCC
(Hereditary Non Polyposis Colorectal Cancer). Circa un 10% è caratterizzato da
altri tipi di sindromi familiari e 1% è caratterizzato dalla presenza di
infiammazione cronica IBD (Inflammatory Bowel Disease) quali la Rettocolite
Ulcerosa ed il Morbo di Crohn. (Figura 1)
7
CASES WITH
FAMILIAL RISK
10%
IBD
~1%
FAP & HNPCC
1-5%
HAMARTOMATOUS
SYNDROMES
<0,1%
SPORADIC CASES
85%
Figura 1 Grafico a torta che mostra l’incidenza del CRC sporadico ed il CRC di
tipo ereditario.
L’istotipo più frequente del CRC è l’adenocarcinoma (95%) che si sviluppa a
carico delle ghiandole della mucosa del colon, in cui le cellule neoplastiche
tendono a riprodurre formazioni tubulari pseudoghiandolari, le quali mostrano una
certa irregolarità architettonica. La maggior parte degli adenocarcinomi si
sviluppa seguendo un percorso a tappe (detta sequenza adenoma-carcinoma):
dalla mucosa colica normale si passa alla formazione di un polipo adenomatoso, o
adenoma, ossia una crescita anormale di tessuto. Questa massa tumorale, che
protrude nel lume dell’intestino, può crescere e divenire displastica, ossia
manifestare le prime alterazioni cellulari per poi trasformarsi in vero e proprio
carcinoma ‘in situ’ e, in seguito, in carcinoma invasivo. La malignità è
caratterizzata da crescita autonoma e diffusa, invasione dei tessuti circostanti e
metastasi, principalmente ai linfonodi, al polmone e al fegato.
8
Appare quindi chiaro come l’identificazione e l’asportazione tempestiva dei polipi
adenomatosi, interrompendo la sequenza adenoma-carcinoma, rappresenti la più
efficace forma di prevenzione del CRC, essendo in grado di ridurne l’incidenza
fino all’80-90% dei casi. Il CRC può rimanere asintomatico per anni prima di
essere diagnosticato e i sintomi, spesso subdoli, sono notevolmente influenzati
dalla sede d’insorgenza del tumore.
Come tutti i tumori maligni, il CRC si diffonde per estensione diretta nelle
strutture adiacenti e per metastasi attraverso i vasi linfatici e i vasi sanguigni. In
ordine di frequenza, le sedi favorite delle metastasi sono i linfonodi regionali, il
fegato, i polmoni, le ossa e la sierosa peritoneale.
Stadiazione e fattori prognostici
La stadiazione della malattia è valutata attraverso un sistema di classificazione
introdotto da Dukes più di cinquant’anni fa:
DUKES A: tumore confinato alla sola tonaca muscolare, linfonodi puliti ed
assenza di metastasi. La sopravvivenza a cinque anni è pari all’86%;
DUKES B: tumore che interessa anche il peritoneo, linfonodi puliti ed
assenza di metastasi. Sopravvivenza a cinque anni pari al 64%;
DUKES
C:
interessamento
linfonodale
ad
assenza
di
metastasi.
Sopravvivenza a cinque anni pari al 50%;
DUKES D: presenza di metastasi diffuse. Sopravvivenza a cinque anni molto
bassa.
Tale classificazione, assieme ad altri parametri, permette una buona valutazione
prognostica; tra i fattori da considerare vanno inoltre ricordati:
9
ETA’: l’aggressività del tumore è maggiore nei giovani;
ESORDIO CLINICO: si ha una prognosi peggiore nei tumori che presentano
complicanze occlusive o perforative;
NUMERO DEI LINFONODI METASTATIZZATI;
SEDE: la prognosi è più favorevole se la localizzazione è nella metà destra
dell’organo.
Appare chiaro come la storia naturale di tale neoplasia possa essere influenzata
dalla prevenzione e dalla diagnosi precoce. Attualmente l’unica terapia efficace
per il CRC è la resezione chirurgica della zona tumorale. La discreta lentezza
evolutiva, unita alla diffusione abbastanza tardiva di tale neoplasia, rendono la
prognosi
relativamente
favorevole
quando
l’intervento
è
eseguito
tempestivamente; tale intervento è comunque consigliato anche quando appare
come palliativo, per l’effettiva e concreta possibilità di prolungare la
sopravvivenza dei soggetti malati.
Sindromi ereditarie associate al CRC
Diversi studi epidemiologici [Cannon-Albrigt., 1998] hanno evidenziato che
almeno il 15% dei CRC ha un ben definito pattern di trasmissione ereditaria di
tipo autosomico dominante e, più raramente, recessivo.
La familiarità gioca, in tutti questi casi, un ruolo rilevante; individui nella cui
famiglia si sia già verificato questo tipo di patologia, sono considerati soggetti a
rischio che devono pertanto essere costantemente monitorati.
Si conoscono diverse sindromi ereditarie, poliposiche e non, caratterizzate dalla
presenza di adenomi e di lesioni amartomasiche (in cui le cellule, pur essendo
10
identiche a quelle che normalmente compongono il tessuto, non riproducono la
normale architettura dell’organo). Le forme poliposiche comprendono ad esempio
la FAP (Familial Adenomatous Polyposis syndrome).
Tra le forme non poliposiche troviamo la SINDROME DI LYNCH, o HNPCC
(Hereditary Non Polyposis Colorectal Cancer), una malattia autosomica
dominante che rappresenta la forma di predisposizione genetica al CRC di
maggior impatto sulla salute pubblica, poiché si manifesta alquanto precocemente
(generalmente al di sotto dei quarant’anni) e con una frequenza assai maggiore
rispetto alle forme poliposiche.
Attualmente i criteri diagnostici utilizzati per tale sindrome sono i cosiddetti
“criteri di Amsterdam”:
Presenza, all’interno del nucleo familiare, di tre o più individui di cui
almeno due con parentela di primo grado, affetti da CRC;
Presenza di CRC in almeno due generazioni successive;
Insorgenza di almeno un CRC al di sotto dei cinquant’anni d’età;
Esclusione della FAP;
Verifica istologica del tumore.
Accanto alle forme ereditarie, avvengono casi in cui il tumore compare
‘sporadicamente’, cioè in persone che non presentano fattori di rischio ereditari; si
ritiene che, anche alla base di queste forme, che rappresentano la stragrande
maggioranza di CRC, ci siano frequentemente delle mutazioni, le quali potrebbero
essere indotte da fattori predisponenti (vedi paragrafo successivo).
11
Eziopatogenesi
Le cause del cancro al colon sono diverse e svariate infatti sembra che sia fattori
ambientali che genetici siano implicati nel’eziopatogenesi di questa malattia. I
fattori ambientali sono stati difficili da identificare: tra questi la dieta sembra
essere il fattore principalmente coinvolto, questo confermato dal fatto che nei
paesi industrializzati il cancro al colon è molto comune. Per esempio una dieta
ricca di fibre è associata ad una diminuzione nello sviluppo di questo tipo di
tumore poiché il tempo di transito lungo il colon è minore rispetto ad una dieta
con poche fibre. Anche l’età gioca un ruolo importante nella predisposizione al
cancro al colon; infatti questo tumore non è comune prima dei 40 anni, ma
aumenta significativamente dopo i 50 anni e raddoppia dopo ogni decade. Più
recentemente, l’infiammazione cronica, indotta da fattori biologici, chimici e
fisici, è stata riconosciuta come fattore di rischio per lo sviluppo del colon
carcinoma. Infatti, l’infiammazione facilita la fase d’iniziazione delle cellule
normali, la loro crescita e la progressione verso la malignità, attraverso la
produzione di citochine pro-infiammatorie e diverse specie reattive dell’ossigeno
[Ohshima, 2005]. Diversi ossidanti possono danneggiare DNA, RNA e proteine
cellulari, mediante reazioni di ossidazione, nitrazione/nitrosazione e di
alogenazione; ciò fa si che aumentino le mutazioni e vengano alterate le funzioni
di enzimi e proteine importanti, contribuendo al processo multi-step della
cancerogenesi [Ohshima, 2005].
Fattori ereditari interessano invece due particolari sindromi: la FAP e l’HNPCC;
entrambe, infatti, sono caratterizzate da instabilità genomica che comprende
l’instabilità
cromosomica
e
l’instabilità
microsatellitare.
L’instabilità
cromosomica porta alla segregazione anormale dei cromosomi e del contenuto di
12
DNA (aneuploidia); come risultato si ha la peridta di materiale cromosomico che
contribuisce alla perdita di funzione di alcuni geni chiave per la soppressione del
tumore. La FAP possiede questo tipo di pathway e fondamentalmente è causata da
delezioni o da mutazioni nel gene APC.
Infatti, il processo di colon carcinogenesi è costituito, come già detto, da una serie
di fasi progressive, oggi ben note sia a livello morfologico che molecolare (Figura
2).
Figura 2. Modello genetico della tumorigenesi del carcinoma colon-rettale che
mostra l’accumularsi delle mutazioni negli oncogeni e negli onco-soppressori che
contribuisce alla progressione tumorale e allo sviluppo delle metastasi. APC
(Adenomatous Polyposis Coli), COX-2 (Cicloossigenasi-2), MMR (Mismatch
Repair), ras (rat sarcoma); yr (anni).
13
Da un punto di vista morfologico infatti, il CRC è il risultato della trasformazione
dell’epitelio colico normale in una serie di fenotipi che, attraverso la formazione
di adenomi, giungono sino al cancro invasivo; tale trasformazione è
accompagnata, dal punto di vista molecolare, dall’accumulo progressivo di
mutazioni somatiche a carico delle cellule che compongono tale epitelio.
Tuttavia, possedere un allele mutato nei geni coinvolti in tale processo, non
significa necessariamente sviluppare il tumore, in quanto il limite è posto al
secondo allele selvaggio; inoltre, spesso gli individui che presentano mutazioni di
un solo allele sono predisposti a sviluppare un CRC successivamente, poiché le
cellule del colon sono molto suscettibili a mutazioni somatiche. Il modello
attualmente accettato è quello ipotizzato da Vogelstein nel 1988 [Volgestein,
1988]; esso deriva dall’analisi molecolare di diversi stadi di sviluppo del CRC,
identificabili a livello istologico. Secondo tale modello, l’evento molecolare
precoce che caratterizza la maggior parte dei CRC è la perdita della funzione, per
mutazione o delezione, di APC (Adenomatous Polyposis Coli) un gene
soppressore dei tumori localizzato sul cromosoma 5.
Mutazioni a carico del gene APC sono state individuate nel 60% dei tumori
sporadici del colon, nella FAP e nelle sue varianti, anche se la loro distribuzione
all’interno del gene è diversa. La proteina codificata dal gene APC inibisce la
proteina Wnt, responsabile dell’espressione del gene myc, un fattore di
trascrizione che induce a sua volta l’espressione di molti geni richiesti per la
transizione dalla fase G1 a S del ciclo cellulare. Quando entrambi gli alleli APC
sono mutati o persi, si ha un aumento della crescita cellulare dovuto ad
un’attivazione inappropriata di myc; se a questo si aggiunge una ipometilazione
del DNA, si può sviluppare nell’epitelio del colon un piccolo tumore benigno
14
detto adenoma di classe I. Un altro oncogene chiave nello sviluppo del CRC è Kras; i geni appartenenti alla famiglia RAS (H, K, N) sono localizzati sul
cromosoma 12 e codificano per piccole proteine ad attività GTPasica leganti le
membrane cellulari. Mutazioni di tale gene porterebbero alla perdita di tale attività
enzimatica e la continua traduzione del segnale che avviene attraverso l’utilizzo di
GTP, non più trasformato in GDP, sarebbe capace di trasformare le cellule e di
indurle a formare adenomi di classe II, più grandi rispetto a quelli di classe I
[Moodie, 1994]. Si è visto che mutazioni a carico di K-ras sono espresse piuttosto
precocemente nel 40-60% dei tumori del colon, con una percentuale che va dal
10% per gli adenomi più piccoli di un centimetro a più del 50% per quelli
maggiori di un centimetro. L’evento molecolare successivo coinvolge un gene
oncosoppresore localizzato sul cromosoma 18, DCC (Deleted in Colorectal
Cancer), codificante una proteina che mostra caratteristiche in comune con
molecole di adesione delle cellule nervose e capace di interagire con altre proteine
coinvolte nelle interazioni cellula-cellula e cellula-matrice. Tale proteina è
largamente espressa nella mucosa del colon normale, mentre è ridotta, se non del
tutto assente, nel 70-75% dei CRC; una sua mutazione, o una sua mancata
espressione, potrebbe pertanto avere un ruolo fondamentale nella crescita o
nell’invasione di tale tumore, come risultato di un contatto anomalo tra le cellule.
Quando entrambe le copie DCC sono perse, o comunque non funzionali, si forma
nell’epitelio colico un adenoma di classe III (un polipo molto grande, ma pur
sempre benigno). Un altro evento molecolare rilevante ma tardivo nel processo di
colon cancerogenesi, è la perdita di funzione del gene P53; questo è localizzato
sul cromosoma 17 ed il suo prodotto è una proteina che regola il ciclo cellulare e
ne blocca la progressione quando il DNA è aberrante, dirigendo in tal modo la
15
cellula verso l’apoptosi. La perdita di entrambe le copie del P53 determina la
progressione dell’adenoma di classe III a carcinoma (la forma maligna) che, in
seguito, può dare metastasi a distanza.
Il tumori che si presentano mediante instabilità cromosomica sono tipicamente
microsatelliti stabili (MSS). Il rimanente 15% di CRCs si presentano attraverso il
pathway di instabilità microsatellitare (MSI).Questa via viene preferita dalla
maggior parte dei CRC che colpiscono pazienti con HNPCC. Questo pathway è
caratterizzato dalla perdita di funzione di geni che solitamente riparano il DNA
durante il normale processo di replicazione del DNA nelle cellule in divisione.
Infatti, a fianco dei geni oncosoppressori e dei più noti oncogeni, si pone
un’ultima classe di geni responsabili del mantenimento dell’integrità del genoma e
della fedeltà del trasferimento dell’informazione genetica durante la replicazione:
i geni mutatori. A questo gruppo appartengono i geni del cosiddetto “Mismatch
Repair” (MMR); quelli attualmente noti nel processo di cancerogenesi del colon
sono hMSH2, hMLH1, hPMS1, hPMS2 e hMh6 [Akiyam, 1997]. Tali geni
codificano per enzimi che hanno il compito di ispezionare il DNA di nuova
sintesi, al fine di individuare eventuali errori e di riparare le basi accoppiate in
maniera errata nella molecola; pertanto, una loro mutazione determina
un’alterazione dei meccanismi di riparazione del DNA e un conseguente
accumulo di errori, responsabile di quella che viene definita ‘instabilità genetica’
[De La Chapelle, 1995]. Questi errori possono essere identificati attraverso lo
studio di alcuni marcatori molecolari i microsatelliti per l’appunto, che nel DNA
tumorale sono alterati. I microsatelliti sono brevi sequenze nucleotidiche
contenenti multipli e consecutivi mono-bi-tri-tetra nucleotidi che, per tali
caratteristiche, sono più esposti ad errori durante la replicazione (MSI). Attraverso
16
un’attenta analisi del DNA di un tessuto sano e di uno tumorale di uno stesso
individuo, è possibile valutare la fedeltà di replicazione di tali sequenze nel
tumore. Secondo diversi studi, si è visto che il 10-15% dei tumori sporadici e il
90% dei tumori appartenenti a HNPCC, presentano MSI [Lothe, 1993] ed è stato
pertanto suggerito che la presenza di tali errori possa essere considerata un buon
marcatore di tale sindrome.
INFIAMMAZIONE E CARCINOMA COLON RETTO
Il primo a descrivere una relazione funzionale tra infiammazione e cancro è stato
Virchow nel 1863 che ha ipotizzato l’origine del cancro in un ambiente dove
persiste uno stimolo infiammatorio. Questa ipotesi nasce dall’evidenza che
sostanze irritanti insieme alla presenza di una ferita in un tessuto siano in grado di
scatenare una risposta infiammatoria con il conseguente aumento della
proliferazione cellulare [Balkwill, 2001]. Ad oggi è chiaro che la proliferazione
cellulare da sola non causa il cancro, ma la proliferazione continua in un ambiente
ricco di cellule infiammatorie, di fattori di crescita, stroma attivato ed agenti che
promuovono danni al DNA , certamente potenzia e/o promuove il rischio
neoplastico.
Il processo infiammatorio è un fattore negativo a carico di tutti i tessuti a causa
della continua esposizione agli agenti ambientali.
Il microambiente infiammatorio favorisce infatti l’iniziazione delle cellule
normali e la loro crescita e progressione verso la malignità attraverso la
produzione di citochine pro-infiammatorie, agenti ossidanti ed enzimi litici.
Il carcinoma si sviluppa partendo da un evento di inizio questo è rappresentato da
agenti carcinogenetici ambientali o virali che inducono modificazioni somatiche,
17
quali alterazioni del DNA. Per avere la sviluppo del cancro occorre una seconda
esposizione ad un agente che non reca danni al DNA (come irritanti chimici, o
ormoni dell’infiammazione cronica) questo porta alla formazione di una lesione
precancerosa. La sostanza promotrice induce la proliferazione cellulare, recluta le
cellule infiammatorie, aumenta la produzione di specie reattive di ossigeno con
conseguente danno ossidativo al DNA ed inibisce il sistema DNA MMR
(Mismatch repair). Le cellule che sopravvivono sono infiammate cronicamente
hanno una proliferazione anomala ed un accumulo di mutazioni che favorisce lo
sviluppo della neoplasia vera e propria. (Figura 3).
PROMOTION
PROGRESSI
Infiammazione cronica
Figura 3.Modello che rappresenta il potenziale ruolo del sistema immunitario
adattativo nell’aumentare l’infiammazione cronica associata alla tumorigenesi
epiteliale.
18
Le patologie infiammatorie croniche intestinali (IBD) ,Colite Ulcerosa CU e
Morbo di Chron, sono riconosciute essere una condizione pre-cancerosa per il
cancro del colon retto [Dahiya, 1998, Itzkowitz, 2004].(Tabella 1). Coloro che ne
soffrono possono infatti sviluppare tale tipo di neoplasia in età più giovane e con
estensione
più
ampia
[Itzkowitz,
2004.].
Inoltre
sia
la
diffusione
dell’infiammazione sia il numero di anni da cui si è affetti correlano con il rischio
della malattia.
Tabella 1 Rappresenta l’associazione tra patologie caratterizzate da
infiammazione cronica e l’aumento del rischio di sviluppare un determinato tipo
di carcinoma.
Il microambiente infiammatorio del colon favorisce infatti l’iniziazione delle
cellule normali e la loro crescita e progressione verso la malignità attraverso la
produzione di citochine pro-infiammatorie, agenti ossidanti ed enzimi litici. Tra le
19
citochine pro-infiammatorie prodotte il Tumor Necrosis Factor (TNF)-α e
l’Interleuchina (IL)-6, sono in grado di attivare il fattore di trascrizione nucleare
(NF-kB), una proteina chiave nell’induzione dell’infiammazione in risposta ad
infezioni batteriche e virali. Nel 2004, Greten e colleghi hanno pubblicato su Cell
un’interessante lavoro che evidenzia come l’induzione di NF-kB colleghi tra loro
infiammazione cronica, infezione e tumore del colon. Secondo questo studio
infatti, nelle cellule epiteliali l’attivazione di NF-kB promuove lo sviluppo
tumorale non attraverso l’infiammazione, ma attraverso l’inibizione dell’apoptosi,
mentre nelle cellule mieloidi determina l’espressione di molecole proinfiammatorie come la ciclo-ossigenasi-2 (COX-2) e IL-1 e 6, che stimolano la
divisione di cellule epiteliali geneticamente alterate e quindi aumentano la massa
tumorale. NF-kB inoltre, stimola la iNOS (inducile Nitric Oxyde Synthase) a
produrre NO e la COX-2 a generare prostanoidi, che hanno un effetto proinfiammatorio e pro-cancerogeno [Yamamoto, 2001]. E’ noto inoltre che il
PPARγ è in grado di reprimere l’attività trascrizionale di NF-kB [Itzkowitz,
2004]; pertanto, i ligandi di PPARγ inibiscono l’infiammazione intestinale
[Sturlan, 2001].
Un contributo significativo allo sviluppo di tumori colon-rettali è dato dallo stress
ossidativo: le cellule infiammate, neutrofili e macrofagi, generano specie reattive
dell’ossigeno e del nitrossido (Reactive e Nitrogen Oxygen Species, RONS), oltre
ad altre molecole pro-ossidanti [Ohshima, 2005]. I radicali liberi da essi generati
hanno come targets DNA, RNA, proteine e lipidi; il gene p53, soppressore
tumorale, è un loro tipico bersaglio [Hussain, 2000]. Inoltre, queste specie sono in
grado di indurre mutazioni “frameshift” del DNA [VanderVeen, 2003] e
perturbare il sistema DNA MMR (Mismatch repair), contribuendo all’instabilità
20
microsatellitare [Gasche, 2001]. Infine, molecole ossidanti come i RONS sono in
grado di alterare il pattern di metilazione del DNA [Itzkowitz, 2004]. Un dato
noto da tempo riguarda l’up-regolazione dell’espressione e dell’attività
dell’enzima Ciclo-ossigenasi-2 (COX-2) nella sequenza adenoma-arcinoma che
caratterizza i
tumori del colon. Nei modelli animali, così come nell’uomo,
l’inibizione di COX-2 riduce in modo significativo lo sviluppo dei tumori del
colon [Gupta, 2002]. Alla luce di queste evidenze è stato proposto da Itzkowitz
nel 2004 un modello che mostra come l’infiammazione associata a colite
promuova la progressione da diplasia a cancro nel colon. (Figura 4).
Figura 4. Modello che mostra il meccanismo attraverso il quale l’infiammazione
cronica favorisce la progressione da displasia a cancro nel colon.
21
L’evidenza più significativa del ruolo dell’infiammazione nella progressione
neoplastica adenoma-colon carcinoma è fornita dalle percentuali di eventi
tumorali in consumatori abituali di aspirina e di altri FANS (Farmaci Antiinfiammatori Non Steroidei). In questi soggetti, l’incidenza di tumori al colon è
ridotta del 50 % circa. Questi dati sottolineano l’importanza eziologica
dell’overespressione della COX-2 in questa patologia [Shiff, 1999] e richiamano
l’attenzione sul ruolo chemiopreventivo dei FANS, dovuto tuttavia non solo
all’inibizione della produzione di prostaglandine, che esercitano azione
infiammatoria nei tessuti danneggiati [Williams, 1999], ma anche all’attivazione
di meccanismi indipendenti dall’inibizione di tale enzima .
CICLO-OSSIGENASI-2 (COX-2)
Ruolo biologico
Le ciclo-ossigenasi (COX) o prostaglandine endoperossido sintasi sono enzimi
chiave per la sintesi dei prostanoidi (prostaglandine PG e trombossani TX) a partire
dall’acido arachidonico (Figura 5). L’acido arachidonico è rilasciato dai fosfolipidi
di membrana grazie all’idrolisi della fosfolipasi A2 ed è trasformato da COX in
PGG2 (attività cicloossigenasica) e rapidamente in PGH2 (attività perossidasica).
PGH2 è poi convertito da specifiche isomerasi nelle prostaglandine (PGE2, PGF2α,
PGI2, PGD2) e nei trombossani (TXA2). Esistono due isoforme di COX: COX-1 e
COX-2 [Smith, 1996]. COX-1 è espressa costitutivamente in molti tessuti umani ed
è responsabile della produzione di prostaglandine che controllano normali funzioni
fisiologiche, ad es. protezione della mucosa gastrica e regolazione del flusso
plasmatico renale. COX-2 non è presente nei tessuti sani ma è indotta da stimoli
22
pro-infiammatori e mitogenici ed aumenta la sintesi di prostaglandine in tessuti
infiammati e neoplastici. Le due isoforme sono proteine di membrana con una
grande omologia strutturale. L’acido arachidonico (AA) accede al sito attivo di
entrambi gli enzimi attraverso un canale idrofobico (lo stesso canale è occupato
dagli anti-infiammatori non steroidei o FANS). Nel caso di COX-2 è presente una
tasca di estensione di questo canale (la tasca è occupata dagli inibitori COX-2
selettivi) [Kurumabail, 1996]. COX-2 è coinvolta nel processo di cancerogenesi,
intervenendo nell’angiogenesi apoptosi, invasività e controllo della proliferazione
cellulare [Dannenberg, 2001]. Fattori di crescita, citochine, oncogeni e
oncosoppressori stimolano la trascrizione di COX-2 attraverso la via mediata da
Ras ed attraverso la via della proteina chinasi C (PKC) [Dannenberg, 2005].
Figura 5. Sintesi di prostaglandine e trombossani COX-mediata.
23
COX-2 e Cancro del Colon
Nel tessuto intestinale normale, studi d’immuno-localizzazione hanno mostrato
l’espressione sia di COX-1 sia di COX-2 nelle cellule della mucosa epiteliale,
nelle cellule mononucleari, nelle cellule endoteliali dei vasi e nella muscolatura
liscia.
Nel 1994, Eberhart e colleghi riportarono che la COX-2 era over-espressa nel
50% circa degli adenomi colon-rettali e nell’85% dei colon carcinoma umani
[Eberhart, 1994]; inoltre in questi tessuti neoplastici la quantità di prostanoidi,
soprattutto PGE2, era elevata rispetto ai tessuti sani.
Nonostante alcuni studi riportino evidenze circa il contributo della COX-1 nello
sviluppo del cancro, COX-2 sembra essere l’isoforma principalmente coinvolta
nella patogenesi di tumori maligni nell’uomo [Eberhart, 1994] e numerosi studi
condotti su modelli animali confermano la connessione causa-effetto tra
l’attivazione di COX-2 e i tumori del colon. Infatti, in diversi studi è stato
riscontrato un aumento dei livelli di PGE2 parallelo all’aumento di espressione di
COX-2 da 2 a 50 volte più elevato, in circa l’85% de carcinomi colon rettali
[Eberhar, 1994; Kutchera, 1996].
Evidenze circa l’attivazione di COX-2 durante le fasi di sviluppo precoci del
colon carcinoma, sono emerse in diversi modelli animali. Infatti, in animali con
FAP, il knock-out per il gene COX-2 riduce drasticamente il numero di polipi
[Oshima, 2001]; inoltre, il trattamento con inibitori selettivi per la COX-2 in
questi modelli, riduce il numero di polipi in maniera significativa [Jacoby, 2000;
Oshima, 2001] suggerendo quindi tale enzima come un ipotetico bersaglio
farmacologico nella terapia del cancro del colon.
24
Sono stati identificati diversi meccanismi attraverso cui la COX-2 agisce sulla
promozione tumorale, sia dipendenti sia indipendenti dalla produzione di PGE2.
Effetti indipendenti dalla produzione di PGE2:
attivazione dei cancerogeni;
produzione di malonildialdeide,
riduzione dei livelli di AA libero.
COX-2 ricopre un ruolo molto importante nella carcinogenesi colon rettale poiché
è in grado di attivare direttamente sostanze cancerogene; infatti, l’attività
perossidasica di COX-2 può agire su idrocarburi policiclici, aflatossine, pesticidi
alogenati e fenoli [Shiff, 1997]. Inoltre la PGD2 può essere trasformata in
malonildialdeide, un potente mutageno diretto, in grado di formare addotti con i
deossinucleotidi [Prescott, 1996]. Infine il livello di AA libero, il substrato di
COX ad azione pro-apoptotica e quindi anti tumorale, è ridotto dall’attivazione di
COX-2 [Chan, 1998].
Effetti dipendenti dalla produzione di PGE2:
induzione della proliferazione cellulare;
inibizione dell’apoptosi;
induzione dell’angiogenesi;
aumento della motilità cellulare;
aumento del potenziale metastatico,
induzione d’immunosoppressione locale.
La PGE2 può promuovere lo sviluppo tumorale mediante l’induzione della
proliferazione cellulare [Sheng, 2001] e l’inibizione dell’apoptosi [Sheng, 1998].
La proliferazione cellulare può essere secondaria alla trans-attivazione del
recettore del fattore di crescita epidermico (EGF) da parte di PGE2 [Pai, 2002];
25
l’over-espressione di COX-2 potrebbe aumentare la resistenza ai fenomeni
apoptotici avendo la capacità di attenuare l’attivazione di caspasi-3 e -9, di
bloccare la proteina P53 e determinando una overespressione della proteina antiapoptotica Bcl-2. Questi fenomeni porterebbero a una ridotta suscettibilità
apoptotica, che contribuisce alla progressione tumorale.
1. STIMOLAZIONE DELL’ANGIOGENESI
Recenti studi hanno visto che le PGs, in particolare PGE2, stimolano
l’angiogenesi, cioè la formazione di nuovi vasi sanguigni, processo essenziale per
lo sviluppo del tumore, sia in vivo sia in vitro, inducendo l’espressione di fattori
pro-apoptotici tra cui il Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), basic
Fibroblast Growth Factor (bFGF) e componenti della matrice extracellulare. In
particolare, l’interazione di VEGF con il suo recettore è un fattore fondamentale
nell’induzione dell’angiogenesi tumorale poiché favorisce la morfogenesi
capillare. Tale fattore è molto espresso in adenomi, carcinomi, cancro colonrettale ed è correlato con la densità dei vasi del microcircolo e con lo stadio del
tumore. Dati recenti hanno riportato che utilizzando inibitori selettivi per la COX2, si può ridurre la formazione dei vasi sanguigni nella cornea del topo,
suggerendo un ruolo chiave per la COX-2 nell’angiogenesi; inibitori selettivi per
COX-1, invece, non hanno alcun effetto su questo processo.
2. MODULAZIONE DELL’IMMUNOSOPPRESSIONE
E’ stato riconosciuto che la presenza di PGE2 ha anche un effetto inibitorio sulla
risposta immune, essendo in grado di bloccare il riconoscimento delle cellule
tumorali da parte sia delle cellule T citotossiche sia da parte delle cellule natural
killer.
3. RESISTENZA ALL’APOPTOSI
26
È risaputo che l’omeostasi nei tessuti è mantenuta dall’equilibrio tra la
proliferazione e la morte cellulare. Si ritiene che la rottura di tale equilibrio
omeostatico possa condurre al tumore quando gli eventi proliferativi superano
quelli apoptotici; infatti, Bedi e collaboratori (1995) hanno dimostrato una
progressiva diminuzione dell’apoptosi durante la cancerogenesi colon-rettale
[Bedi, 1995]. L’over-espressione di COX-2 è associata all’inibizione del pathway
apoptotico mitocondriale, caratterizzato da riduzione del rilascio del citocromo c,
attenuazione dell’attivazione delle caspasi 3 e 9, up-regulation di Bcl-2 e
riduzione dell’espressione della proteina pro-apoptotica Bax (Sun Y. et al., 2002).
4. INDUZIONE DELL’INVASIVITA’
Elevati livelli di PGE2 sono correlati a un aumento dell’invasività tumorale,
perché essa è in grado di indurre l’espressione sia di CD44, una glicoproteina di
superficie coinvolta nella formazione di metastasi, che di metallo proteinasi della
matrice di tipo 2 (MPP-2), una metalloproteinasi coinvolta nell’espansione del
tumore; l’inibizione di COX-2 porta alla diminuzione dell’attività di entrambe le
proteine e a una riduzione dell’invasività tumorale [Dohadwala et al., 2002].
La degradazione dello strato basale della membrana è uno dei passi fondamentali
per l’invasione del tessuto tumorale nel tessuto sano ed è mediata dalle MMPs
(matrix metalloproteinase) e dai loro inibitori TIMPs (tissue inhibitors of
metalloproteinases).
Elevati livelli di alcune metalloproteinasi, come la MPP-2 e MMP-9, sono stati
rilevati nello stroma di tessuti tumorali nel cancro colon rettale (CRC) e la loro
concentrazione plasmatica è fortemente correlata allo stadio clinico di CRC
[Tsujii, 1998]. Inoltre trasfettando cellule di CRC, non esprimenti COX-2, con il
gene della COX-2 è stato osservato un aumento dell’invasività e della migrazione
27
cellulare, accompagnati dall’incremento dei livelli di mRNA di alcune
metalloproteinasi di membrana [Tsujii, 1998].
IPOSSIA E TUMORE
Negli ultimi vent’anni studi clinici hanno chiaramente dimostrato che la presenza
di aree ipossiche (aree in cui la pressione dell’ossigeno presente pO2 è ≤ 2.5
mmHg) è una caratteristica pato-fisiologica dei tumori solidi localmente avanzati.
Queste aree sono state riscontrate in diversi tipi di tumori solidi: carcinoma della
mammella, utero della prostata, del colon, della vulva, del pancreas, nei sarcomi,
nei melanomi maligni, nel fegato e nel rene [Vaupel, 2001, 2002, 2007].
Nel complesso circa il 50-60% dei tumori solidi localmente avanzati mostrano
aree ipossiche e/o anossiche (la presenza di O2 non è misurabile) che sono
distribuite in modo eterogeneo all’interno della massa tumorale.
Le aree ipossiche (e/o anossiche) sono il risultato dello squilibrio tra la riserva e il
consumo di O2. I meccanismi patogenetici per lo sviluppo dell’ipossia nei tumori
solidi sono principalmente tre: anomalie funzionali e strutturali della microcircolazione del tumore e delle cellule tumorali, iper-proliferazione delle cellule
tumorali e anemia associata al tumore o indotta dalla terapia.
L’ipossia è un fattore avverso nella pato-fisiologia del tumore. Infatti, le cellule
esposte ad ipossia rispondono riducendo la sintesi proteica che porta a una ridotta
proliferazione e a una conseguente morte cellulare. Infatti, è stato dimostrato che
l’ipossia può inibire completamente la proliferazione delle cellule tumorali in
vitro. L’esposizione prolungata ad uno stimolo ipossico è in grado di cambiare la
28
fase del ciclo cellulare ed aumentare il numero di cellule quiescenti nel tumore,
questo porta ad un’alterazione della risposta a radio e chemio-terapia.
L’ipossia può indurre la cellula ad apoptosi (morte cellulare programmata) sia nel
tessuto sano sia in quello neoplastico. Questo avviene attraverso due meccanismi:
uno p53 dipendente, in cui la trascrizione del gene è indotta dal fattore di
trascrizione HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor) ed un pathway p53-indipendente
che coinvolge i geni della famiglia BCL-2.
Le cellule sottoposte ad uno stimolo ipossico acuto possono andare incontro ad
una morte cellulare per necrosi. Cambiamenti del proteoma indotti dall’ipossia
possono favorire l’arresto del ciclo cellulare, la differenziazione cellulare,
l’apoptosi e la necrosi. Questi cambiamenti spiegano il ritardo della proliferazione
cellulare che avviene nelle masse tumorali grandi. Al contrario i cambiamenti nel
genoma e nel proteoma indotti dall’ipossia cronica, possono promuovere la
progressione tumorale favorendo la capacità invasiva locale, la diffusione delle
cellule tumorali perifocale e la diffusione di metastasi sia loco-regionali che a
distanza con una conseguente prognosi peggiore [Vaupel, 2001, 2002, 2007].
(Figura 6)
Quando un tumore si sviluppa diviene spesso più maligno con il passare del
tempo, questo è un processo che prende il nome di “progressione tumorale”. Una
grande quantità di dati suggerisce che l’ipossia o l’anossia del tumore ed il
pathway HIF-1 α sono coinvolti nel conferire un vantaggio di crescita alle cellule
tumorali e a favorire lo sviluppo di un fenotipo maggiormente maligno [Höckel,
2001; Semenza, 2000 e 2002; Harris, 2002].
29
Figura 6 Meccanismi attraverso i quali l’ipossia cronica favorisce una prognosi
peggiore per i pazienti malati di tumore
A seconda del grado e della durata del fenomeno ipossico, tre meccanismi sono
coinvolti
nella
propagazione
tumorale
indotta
dall’ipossia:
alterazioni
nell’espressione dei geni con conseguente cambiamento del proteoma e/o
cambiamenti del genoma [Semenza, 2003; Reynolds, 1996; Yuan, 2000] e
selezione clonale [Graeber , 1996; Kim, 1997; Kondo, 2001].
Classicamente l’ipossia nel tumore è associata alla resistenza alla radioterapia, ma
è stato dimostrato che diminuisce l’efficacia di alcuni chemioterapici [Vaupel,
2004].
HIF-1 α (Hypoxia-Inducible Factor) è il gene chiave nel signalling
dell’ipossia
A livello molecolare, lo stress ipossico causa delle risposte adattative della cellula
che portano all’attivazione del fattore di trascrizione HIF-1 α. Questo fattore è
30
composto da due subunità α e β. In presenza di ossigeno, normossia, HIF- α non è
espressa, ma è espressa solo quando la concentrazione di ossigeno è limitata
(Figura 7). Al contrario l’espressione di HIF-β non è dipendente dall’ossigeno ma
è costitutivamente presente. Mentre HIF- α è rilevabile in vari sistemi di colture
cellulari ad un cut off di circa il 5% di ossigeno (40 mmHg) per considerare un
sistema in vitro in condizioni ipossiche occorre sottoporre le cellule ad una
concentrazione di ossigeno compresa tra 1 e il 2% (8-16 mmHG) per avere in
poche ore l’espressione di HIF- α nel nucleo cellulare.
Figura 7 Degradazione ed attivazione della trascrizione di HIF-1 α in condizioni
normali di ossigeno ed in ipossia.
Se le cellule sono riportate ad una concentrazione di ossigeno atmosferica (21% di
O2) l’espressione di HIF-α è inibita in pochi minuti perché è degradata dal sistema
del proteosoma 26S. Al Contrario in condizione d’ipossia la subunità HIF-α
sfugge alla degradazione, si lega alla subunità HIF-β. Insieme le due subunità si
legano agli elementi che rispondono ad ipossia HRE (Hypoxia-Response
31
Elements) dei geni bersaglio. Il reclutamento di co-attivatori come CBP/p300
porta all’attivazione trascrizionale di geni target coinvolti nel metabolismo,
nell’angiogenesi, nella sopravvivenza e morte , nella capacità di invasione/di fare
metastasi delle cellule.
ANIDRASI CARBONICA IX (CA-IX)
Ruolo biologico
Le anidrasi carboniche sono un gruppo di metallo enzimi contenenti zinco che
catalizzano l’idratazione reversibile del biossido di carbonio:
CO2 +H20 ↔HCO3- +H+
Ad oggi sono state caratterizzate 12 anidrasi carboniche (CA) localizzate in
diversi distretti cellulari : 5 sono citoplasmatiche (CA I, CA II, CA III, CA VII e
CAXIII), 2 sono mitocondriali (CAVA e CAVB), 1 secretoria (CAVI) e 4 sono
associate alla membrana (CA IV, CA IX, CA XII e CA XIV) (Figura 8).
Figura 8 Localizzazione subcellulare delle Anidrasi Carboniche (CA)
32
L’anidrasi carbonica IX è un’isoforma trans membrana con un sito catalitico nella
porzione extracellulare caratterizzato dall’avere la più alta efficienza per il
trasporto di H+ tra le CAs [Wingo, 2001]. Il gene CA9 umano mappa sul
cromosoma 17, e CA-IX è una glicoproteina con una massa che va dai 54-58 kDA
ed è espressa nella membrana plasmatica delle cellule epiteliali a livello basolaterale, ed in alcuni casi anche nei nuclei [Pastoreková, 1992].
CA-IX è stata clonata per la prima volta da Pastorek [Pastorek, 1994], è una
proteina di 466 aminoacidi caratterizzata da un peptide segnale idrofobico,
all’estremità N-terminale ha un dominio proteoglicano-simile, un dominio
catalitico extracellulare, una porzione idrofobica trans-membrana ed una coda Cterminale citoplasmatica. (Figura 9)
Figura 9 Struttura degli isoenzimi anidrasi carboniche associate alla membrana.
CA: dominio anidrasi carbonica, GPI: domino glicosilinositolo-simile, TM:
porzione trans-membrana, CT: coda citoplasmatica C-terminale, PG: dominio
Proteoglicano.
Il dominio catalitico della CA-IX mostra un’alta omologia con quello delle altre
anidrasi carboniche. Il ruolo della regione C-terminale non è ancora del tutto
chiaro ma dati recenti mostrano che è un target di fosforilazione [Dorai, 2005],
33
importante per la dimerizzazione e l’interazione con altri trasportatori del
bicarbonato [Sterling, 2001].Il ruolo del dominio proteoglicano è stato proposto
avere un ruolo nell’adesione cellulare [Svastova, 2003]. Il ruolo fisiologico della
CA-IX è di regolare l’omeostasi del PH intracellulare grazie alla sua capacità di
idratare l’anidride carbonica ad acido carbonico e liberare ioni H+. CA-IX è in
grado di facilitare il trasporto trans-membrana di HCO3-, la diffusione
extracellulare di H+ e di CO2. Per questo motivo è implicato in tutti quei processi
biosintetici che richiedono come primo step la presenza di CO2 .Questi processi
comprendono la gluconeogenesi e la sintesi di determinati aminoacidi, la
litogenesi, la urogenesi e la sintesi delle pirimidine [Chegwidden, 2002].
CA-IX e tumore del colon-retto
CA-IX è stata trovata nelle cellule del tratto gastrointestinale normale
[Pastorekova, 19997] ma la sua espressione è maggiore nelle cellule tumorali del
tratto gastrico. Un importante legame tra CA-IX e la tumorigenesi è stato scoperto
quando si è capito che la trascrizione della CA-IX (come la CA-XII) è regolata dal
fattore HIF-1 α [Wykoff, 2000]. CA-IX, infatti è un gene inducibile da ipossia.
Nelle cellule tumorali il pH extracellulare (pHe) è maggiormente acido (6.2<pH
<6.8) rispetto quello dei tessuti normali (7.2<pH<7.4) [Cardone, 2005]. Questa è
la conseguenza dell’accumulo di acido lattico e di CO2 che non sono
sufficientemente
dispersi
a
livello
vascolare
a
causa
di
una
minor
vascolarizzazione del tumore. La correzione del pH intracellulare (pHi) è
necessaria affinché le cellule tumorali sopravvivano all’acidosi metabolica.
L’omeostasi del pH cellulare si ha grazie a dei trasportatori di membrana e ad
ecto-enzimi (Figura 10).
34
Figura 10.Meccanismi attraverso i quali HIF interviene nell’omeostasi del pH
delle cellule tumorali.
Infatti CA-IX aumenta il pHi delle cellule tumorali esposte ad ipossia data che
converte la CO2 extracellulare a HCO3- che è trasportato all’interno della cellula
grazie a degli scambiatori anionici (AE) favorendo l’uscita dal lume cellulare del
coloro (Cl-). Nello stesso tempo si ha una maggiore acidificazione del pHe questo
favorisce l’attivazione di enzimi che sono coinvolti nella degradazione della
matrice extracellulare le MMPs (Metallo-Proteasi), favorendo l’invasione nei
tessuti sottostanti delle cellule tumorali.
Numerosi lavori mostrano un’alta espressione di CA-IX nel tumore del colon retto
[Mori, 1993; Saarnio, 1998] ed in altri tipi di tumore come quello dell’esofago,
del pancreas, del tratto gastrico e della mammella.
Le anidrasi carboniche giocano un ruolo chiave nel processo carcinogenetico
favorendo la proliferazione incontrollata delle cellule e l’invasione cellulare.
35
Alcuni lavori hanno mostrato un legame causale tra ipossia, acidificazione
extracellulare e l’induzione di questi enzimi nei tumori umani [Ivanov, 2001]. E’
stato dimostrato che CA-IX è espressa negli enterociti proliferanti del tessuto del
colon normale e la sua espressione aumenta nella maggior parte degli adenomi e
nei carcinomi colon-rettali primari [Saarnio, 1998]. La co-espressione di CA-IX e
KI-67 nei siti di proliferazione cellulare mostrano che CA-IX potrebbe essere
utilizzato come biomarker di proliferazione delle cellule nella mucosa colonrettale. Inoltre, l’alta espressione di CA-IX nelle lesioni pre-maligne come gli
adenomi, suggerisce che potrebbe essere utilizzato come marker degli stadi
precoci della sequenza adenoma-carcinoma. Inoltre l’espressione di CA-IX è stata
correlata con una prognosi peggiore ed è stata proposta come marker del fenotipo
maligno ed aggressivo [Trastour, 2007].
36
SCOPO DELLA TESI
Dati sperimentali e clinici dimostrano che l’infiammazione promuove lo sviluppo
del cancro del colon (CRC) in modelli animali ed umani [Zhang e Yang, 2006 e
Taniguchi, 2007]. Lavori epidemiologici indicano che la somministrazione per
lungo tempo di farmaci anti-infiammatori diminuisce il rischio di sviluppare CRC,
riducendo la crescita dei polipi in pazienti con Adenomatosi Poliposi Familiare
(FAP) [Steinbach, 2000].
Questo fenomeno è legato all’inibizione della Ciclo-ossigenasi -2 (COX-2), un
enzima che sintetizza i mediatori dell’infiammazione le prostaglandine (PGE2)
[Brown, 2005]. C’è un aumento dell’espressione di COX-2 e delle nei carcinomi
colon-rettali in grado di promuovere la capacità invasiva, l’angiogenesi ed il
potenziale metastatico delle cellule tumorali [Eberhart, 1994; Tsujii, 1998;
Sinicrope, 2004 e Backlund, 2005]. E’ stato dimostrato in linee di CRC, HT29 ed
HCT116, che l’espressione di COX-2 viene up-regolata direttamente dal fattore di
trascrizione HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor). [Kaidi, 2006], quindi in queste
linee l’espressione di COX-2 gioca un ruolo importante nella sopravvivenza delle
cellule in ipossia. L’ipossia è una conseguenza della crescita dei tumori solidi e
regola fattori che favoriscono la crescita del tumore e lo sviluppo di metastasi
[Graebe, 1996; Harris, 2002; Tatum, 2006 e Vaupel, 2007]. Un gene target di
HIF-1α è l’Anidrasi Carbonica-IX (CA-IX), che rappresenta un marker ipossico in
vivo.[ Swinson, 2003]. La CA-IX è espressa esclusivamente nelle aree ipossiche
del tumore, suggerendo che fattori presenti nel micro-ambiente, oltre all’ipossia
siano in grado di aumentare l’espressione di CA-IX in vivo [Goethals, 2006].
37
Infatti l’espressione di CA-IX può essere indotta da meccanismi indipendenti
dall’ipossia, come l’attivazione del pathway di ERK [Kopacek, 2005; Kaluz, 2006
e Sansone , 2007]. Dato che è noto che l’attivazione del pathway ERK1/2 può
essere guidata dall’espressione di COX-2 attraverso le PGE2 [Krysan, 2005].
In questo lavoro abbiamo cercato un possibile pathway tra COX-2 e CA-IX in
linee di CRC ed abbiamo analizzato la correlazione tra l’espressione delle due
proteine nei tessuti di pazienti con CRC sporadico. Andando a delineare una
possibile interazione tra il processo infiammatorio ed ipossico nel CRC.
38
MATERIALI E METODI
COLTURE CELLULARI
In questo studio sono state utilizzate quattro linee di cellule epiteliali di carcinoma
di colon: le HT-29 adenocarcinoma ben differenziato di grado I, HCT-116 linee
epiteliali di carcinoma colon-rettale, HCA-7 adenocarcinoma moderatamente
differenziato e le Caco-2 adenocarcinoma da moderatamente a ben differenziato.
Le linee sono state acquistate dall’American Type Culture Collection (Manassas,
VA, USA) e messe in coltura in terreno Dulbecco’S Modified Eagle’s Medium
(DMEM, Cambrex Bio Science, Bergamo, Italia) supplementato del 10% di siero
fetale bovino (FBS, Euroclone, Milano, Italia), dell’1% di glutammina
(Euroclone, Milano, Italia) e dell’1% di antibiotici (penicillina e streptomicina,
Euroclone, Milano, Italia). Le linee sono state mantenute a 37°C in atmosfera
umidificata al 5% di CO2.
Esposizione a ipossia reale e simulata tramite l’utilizzo di
desferossamina
Ipossia simulata La somministrazione di desferossamina (DFX) in cellule in
coltura è riconosciuta da una vasta letteratura come uno stimolo ipossico. La DFX
(Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA) è un agente chelante per il ferro, estratto
dallo Streptomyces Pilosus. In particolare si è accertato che la deprivazione di
ferro da parte della DFX sia in grado di attivare la tipica risposta ipossica
modulata dal fattore di trascrizione indotto da ipossia HIF-1α. Le cellule trattate
(HT-29, HCT-116 e HCA-7) sono state esposte alla DFX a concentrazione di 100
μM per un tempo di 24 ore (24H) o 48 ore (48H).
39
Ipossia reale L’ambiente ipossico reale è stato realizzato ponendo le HT-29 in
incubatore caratterizzato dal 2% O2 con il 95% N2/5% CO2 (Thermoforma,
Thermo, Waltham, MA, USA).
Trattamenti farmacologici:
Agenti inibitori per COX-2 e MEK1
La molecola inibitrice selettiva per COX-2, SC-236 (Calbiochem, San Diego, CA,
USA), è stata utilizzata sulle linee HT-29, HCT116, HCA-7 a una concentrazione
di 30 μM per un trattamento di 48 H.
La molecola inibitrice selettiva per Mitogen-activated protein kinase kinase 1
(MEK1), UO-126 (Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA), è stata utilizzata sulle
HT-29 a una concentrazione di 25 μM per un pre-trattamento di 1H.
Per entrambi gli inibitori come controllo nel terreno di coltura è stato posto il
dimetilsolfossido (DMSO) (Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA) alle stesse
concentrazioni dei due inibitori sopra citati.
Agente per lo stimolo dell’infiammazione
Le PGE2 sintetiche (Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA) sono state utilizzate
per mimare l’azione di COX-2 sulle HT-29 e sulle HTC-116 e utilizzate a una
concentrazione di 1 μM per 24H.
Valutazione della morte cellulare
La morte cellulare è stata valutata tramite TRIPAN blue (Sigma Chemical, St.
Louis, MO, USA), un colorante in grado di colorare selettivamente le cellule
morte. Il motivo per cui questo colorante non colora le cellule vive è da ricercarsi
40
nell'estrema selettività della membrana cellulare. Le cellule vitali, avendo la
membrana intatta, non permettono la penetrazione di questo colorante nel
citoplasma; al contrario, nelle cellule morte questo penetra facilmente, rendendole
distinguibili dalle vive con una rapida analisi al microscopio.
Procedura:
1.
Prelevare il terreno di crescita.
2.
Aliquotare la tripsina e incubare a 37°C per alcuni minuti
3.
Spipettare delicatamente per staccare le cellule dal fondo della fiasca o
pozzetto e per disgregare eventuali cluster cellulari
4.
Aggiungere terreno completo per inibire la tripsina
5.
Prelevare la sospensione cellulare
6.
Centrifugare a 1500 rpm per 5’ a temperatura ambiente
7.
Risospendere il pellet cellulare in 1 ml di terreno completo
8.
Centrifugare a 1500 rpm per 5’ a temperatura ambiente
9.
Risospendere il pellet in un volume adeguato di terreno
10.
Aliquotare 10μl di trypan blue e 10μl della sospensione cellulare
11.
Caricare 10μl della soluzione nella camera di conta ed effettuare la lettura
al microscopio
Saggio d’invasione cellulare
Questa tecnica permette di valutare la capacità di una cellula di invadere una
matrice (Matrigel) tramite l’utilizzo di camere di Boyden (New Technologies
Group, Italy) contenenti filtri di policarbonato con pori di 8µm e ricoperti di
Matrigel (Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA) in un tempo di 24H. Il matrigel
41
è una membrana basale artificiale, contenente laminina, collagene IV,
proteoglicani, entattina e nidogeno.
Procedura:
1.
Posizionare i filtri con la parte opaca verso l’alto in una piastra Petri
lavorando sotto cappa in riduzione
2.
Scongelare in ghiaccio un’aliquota da 12,5 μl di Matrigel (concentrazione
SM 11,32 mg/ml) (in ghiaccio e velocemente perché il Matrigel polimerizza
irreversibilmente a temperatura ambiente)
3.
Aggiungere, sempre in ghiaccio, 487,5 μl di BDW sterile
4.
Distribuire 50 μl di Matrigel sulla parte opaca di ogni filtro
5.
Lasciare asciugare i filtri sempre sotto la cappa in riduzione e porli
successivamente in frigorifero (si conservano anche per 7 giorni)
Il giorno successivo:
6.
Preparare il terreno attrattivo completo (DMEM+FBS 10%) e inserirlo nel
compartimento inferiore di ogni cameretta. Il volume deve essere tale da formare
un menisco con la concavità rivolta verso l’alto (circa 220 μl)
7.
Inserire in ogni cameretta, con le pinzette, i filtri, mantenendo la parte
opaca con il Matrigel verso l’alto.
8.
Chiudere ogni cameretta col proprio tappo che presenta al centro una
cavità cilindrica, aperta sia in alto sia in basso, che costituisce il compartimento
superiore della cameretta di Boyden, in cui sarà inserita la sospensione cellulare.
9.
Tripsinizzare le cellule, raccoglierle con terreno privo di FBS,
centrifugarle, risospenderle in terreno senza FBS, contarle e diluirle alla
concentrazione desiderata (50000-150.000 cellule/ 700 μl).
10.
Seminare 700 μl di tale sospensione cellulare nel compartimento superiore
42
di ogni cameretta.
11.
Incubare a 37°C in atmosfera umidificata e addizionata con CO2 al 5% per
24 ore. Durante questo periodo le cellule sono attirate dal mezzo condizionato,
contenente fattori chemiotattici; tuttavia essendo il filtro ricoperto di Matrigel,
solo le cellule capaci di degradare quest’ultimo e capaci di oltrepassare i pori
possono migrare sulla parte inferiore del filtro stesso, restandovi attaccate
12.
Al termine di tale periodo svuotare le camerette, togliere i tappi e
rimuovere i filtri
13.
Immergere i filtri in un becker con BDW e sciacquarli bene per rimuovere
le cellule non invase
14.
Montare i filtri su un supporto di polistirolo, fermandoli con un ago da
siringa in modo che la parte lucida del filtro (contenente le cellule migrate) sia
rivolta verso l’alto.
15.
Fissare le cellule in etanolo assoluto per 15-20 secondi, aggiungendo
l’alcol nella vaschetta contenente il supporto di polistirolo
16.
Lavare abbondantemente con BDW.
17.
Colorare con Blu di Toluidina per 1 minuto (circa 300 μl per filtro)
18.
Lavare abbondantemente con BDW, per eliminare i residui di colorante.
19.
Porre i filtri ad asciugare, sempre con la parte lucida rivolta verso l’alto
20.
Montarli su vetrini, in modo tale che la parte opaca torni in alto e la parte
lucida, contenente le cellule migrate, sia posta sul vetrino.
21.
Ricoprire con il coprioggetto.
22.
Contare le cellule migrate; si contano 5 campi per zona omogenea, si
mediano i risultati (eventualmente si esprimono come rapporto percentuale
trattato/controllo).
43
Blu di Toluidina 0,5% (100 ml):
Blu di Toluidina
0,5 g
H2O bidistillata
Fino a volume
Filtrare con filtro a pieghe e conservare a 4°C, al riparo dalla luce, per 3-4 mesi.
Matrigel: la soluzione madre di Matrigel (11,32 mg/ml) deve essere diluita con
DMEM 1X alla concentrazione di 11,32 mg/ml e quindi aliquotata e conservata a
-20°C.
Silenziamento genico
Silenziamento transiente mediante la trasfezione di oligonucleotidi a doppio
filamento short interfering RNA (siRNA) con lipofectamina
L’interferenza del RNA (dall'inglese RNA interference), abbreviata comunemente
come RNAi, è un meccanismo mediante il quale alcuni frammenti di RNA a
doppio filamento (RNAds) sono in grado di interferire (spegnere) l'espressione
genica. Il protocollo utilizzato per il silenziamento genico tramite trasfezione di
siRNA con lipofectamina è il seguente:
Poiché è stato osservato che la trasfezione è ottimizzata in assenza di siero e
antibiotici nel terreno di coltura, da 24H prima della trasfezione le HT-29 sono
state coltivate in terreno addizionato del 5% di FBS (invece del 10%) e dell’1% di
glutamina (senza antibiotici). Un’elevata efficienza di trasfezione richiede che le
cellule raggiungano il 50-80% della confluenza. Le cellule vengono piastrate in
piastre da 6 pozzetti; ogni pozzetto contiene un volume totale di 2ml di terreno
supplementato del 5% FBS e dell’1% di glutamina.
44
Le cellule sono mantenute in un incubatore termostatato a 37°C, umidità relativa
controllata e 5% CO2 per circa 24H.
Per ottimizzare l’efficienza del processo di trasfezione è necessario determinare la
corretta quantità di siRNA, lipofectamina da utilizzare e terreno di coltura, in
relazione allo specifico tipo cellulare utilizzato nelle procedure sperimentali.
E’ stata utilizzata la lipofectamina 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) che è
una molecola formata da una coda policationica a cui si lega il DNA e da una
porzione lipidica che facilita il passaggio del complesso DNA-lipofectamina
attraverso la membrana cellulare.
Il giorno della trasfezione l’RNAi, come la lipofectamina, sono stati
opportunamente diluiti in terreno OptiMEM (Gibco BRL, Gaithersburg, MD)
privo di antibiotici e siero ed è stata effettuata una incubazione di 15 minuti a
temperatura ambiente.
Successivamente alla soluzione contenente la lipofectamina si aggiunge quella
contenente l’RNAi e si lascia in incubazione a temperatura ambiente per 30
minuti, in modo da favorire la formazione dei complessi Reagente-RNA. Prima di
aggiungere alle cellule il reattivo di trasfezione preparato, i pozzetti in cui sono
coltivate le cellule sono lavati con 2 ml circa di terreno privo di siero e antibiotici
in modo da togliere eventuali residui di siero che potrebbero compromettere o
perlomeno ridurre l’efficienza di trasfezione. Il preparato è poi addizionato alle
cellule da trasfettate (alle quali era stato preventivamente tolto il terreno) che sono
poi messe in incubazione a 37°C per circa 4 ore. Trascorso questo periodo è
aggiunto a ogni pozzetto 2 ml di terreno completo supplementato solo del 5 % di
siero e dell’1% di glutamina.
Le cellule sono quindi poste in incubazione a 37°C per 48H.
45
Trasfezione transiente di RNA a doppio filamento (siRNA) per il
silenziamento del gene CA-IX nelle HT-29 e del gene COX-2 nelle HCT-116
Applicando la tecnica sopra descritta di trasfezione mediante lipofectamina si è
effettuato il silenziamento del gene CA-IX utilizzando uno “short interfering
oligonucleotide” a doppio filamento di RNA specifico per CA-IX (CA-IX siRNA)
commerciale costituito da un set di 3 oliglonucleotidi, e per COX-2 si è utilizzato
un COX-2 siRNA diretto contro le basi 291-311 del mRNA di COX-2
(5’AACTGCTCAACACCGGAATTT3’)
ed
uno
“short
interfering
oligonucleotide” di controllo (SCR) non-specifico a medio contenuto di GC (SCR
siRNA)
(senso
UUCUCCGAACGUGUCACG,
antisenso
ACGUGACACGUUCGGAGA) (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) [Sansone,
2007] per entrambi i geni. Le cellule HT-29 ed HCT-116 sono state coltivate in
pozzetti da 3cm2 fino alla confluenza del 60%. Il giorno della trasfezione le HT29 sono state incubate con 1μg di CA-IX siRNA e le HCT-116 con 1 μg di COX2 siRNA per 4h alla presenza di 3 μl del reagente di trasfezione, Lipofectamine
2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) in un volume di terreno (OPTIMEM) di
700μl. L’efficienza del silenziamento e trasfezione sui livelli dei geni CA-IX è
stata valutata attraverso RT-PCR e Western Blot descritti nei paragrafi successivi.
Silenziamento stabile di COX-2 delle HT-29 e delle HCA-7 attraverso l’anti
COX-2 shRNA nel vettore retrovirale pSUPER.retro
Il silenziamento stabile è caratterizzato dall’integrazione del DNA esogeno nel
genoma delle cellule riceventi. Per confermare il ruolo funzionale di COX-2 nella
regolazione genica studiata con il silenziamento transiente di CA-IX sono stati
46
effettuati esperimenti di silenziamento stabile di COX-2 delle HT-29 e delle
HCA-7 tramite infezione retrovirale.
Clonaggio dell’anti-COX-2 shRNA nel vettore retrovirale pSUPER.retro
Il costrutto codificante per l’anti-COX-2 shRNA è stato preparato come descritto
da [Brummelkamp, 2002] il vettore pSUPER.retro (Oligoengine, Seattle,
WA,USA) si basa sul genoma del “Murine Stem Cell Virus”(MSCV) ed è stato
gentilmente fornito dal Dottor Chieco (Laboratorio CRBA, Bologna, Italia). Il
vettore utilizzato per questa tesi é schematizzato in Figura 11, presenta a valle
della regione di integrazione del genoma (5’ LTR MSCV) la sequenza psi,
sequenza di incapsidamento,a cui segue la regione codificante il silenziatore del
gene COX-2 posto sotto il controllo di una sequenza promotrice H1 riconosciuta
dalla Pol III, la sequenza codificante per la GFP (green fluorescent protein) ed una
cassetta di resistenza alla puromicina (antibiotico con cui verrano quindi
selezionate le cellule infettate) poste sotto il controllo del promotore Pgk. L’LTR
finale è un 3’ΔLTR, presentante cioè una delezione, che rende così il virus
autoinattivante. La cassetta di resistenza all’ampicillina serve per la selezione ed il
mantenimento del vettore in sistemi batterici come E.Coli. Le sequenze forward e
reverse per il costrutto anti-COX-2 shRNA sono rispettivamente
5’-gatccccaactgctcaacaccggaatttcaagagaattccggtgttgagcagtttttttggaa-3’
5’-agcttttccaaaaaaactgctcaacaccggaattctcttgaaattccggtgttgagcagttggg-3’
(sintetizzate dalla Proligo,USA)
Sono stati seguiti gli steps per il clonaggio degli oligonucleotidi nel vettore
pSUPER.retro
descritti
nel
protocollo
pSUPER
RNAi
system
(www.oligoengine.com). Gli oligonucleotidi forward e reverse sono stati appaiati
47
a formare un duplex. Il duplex è stato legato nel vettore pSUPER.retro prelinearizzato grazie ai siti di taglio degli enzimi di restrizione BglII-HindIII
Il vettore ricombinante contenente l’inserto è stato utilizzato per trasformare
batteri competenti Escherichia Coli. Dopo selezione nel mezzo di coltura con
ampicillina, le colonie sono state analizzate per la presenza del vettore
ricombinante pSUPER.retro
Figura 11.Schema del vettore pSUPER.retro. Una specifica sequenza per l’antiCOX-2 short hairping RNA (sequenza senso-loop-sequenza antisenso) è stata
clonata nel vettore pSUPER.retro e la trascrizione di questa sequenza è regolata
dal promotore H1 per l’RNA polimerasi III. L’espressione del gene GFP fornisce
un test rapido per analizzare l’efficienza dell’infezione e la resistenza alla
puromicina è necessaria per selezionare i cloni che esprimono l’anti-COX-2
shRNA.
Produzione di particelle retro virali per trasfezione
Per confermare il ruolo funzionale di COX-2 nella regolazione genica studiata con
silenziamento transiente sono stati effettuati esperimenti di silenziamento stabile
delle linee cellulari HT-29 ed HCA-7 tramite infezione retrovirale.[Strillacci,
2006]. Per l’ottenimento del virus da impiegare nell’infezione è stata utilizzata
48
una linea cellulare di packaging, la Phoenix NX, per produrre particelle retrovirali
ecotropiche derivate dall’impacchettamento dei plasmidi contenenti la sequenza
sh-COX-2 in grado di promuovere il processo di RNA interference. Tali plasmidi
sono stati ottenuti tramite il clonaggio della sequenza sh-COX-2 nel vettore
pSUPER.retro descritta precedentemente.
Cellule di packaging
Phoenix è una linea cellulare di seconda generazione per la produzione di
retrovirus ecotropici (Phoenix E/NX) o anfotropici (Phoenix A). Tali linee
cellulari sono derivate dalla linea 293T (linea cellulare di rene embrionale umano
trasformata con adenovirus E1a e recante l’antigene T temperatura sensibile coselezionato con neomicina).
La peculiarità di questa linea cellulare è l’alta trasfettabilità sia utilizzando
protocolli di trasfezione con calcio fosfato che basati sull’uso di liposomi; si
ottiene infatti un’efficienza superiore al 50 % nella trasfezione transiente.
Le linee Phoenix sono state create inserendo nelle 293T dei costrutti in grado di
produrre gag-pol e le proteine dell’envelope per virus ecotropici ed anfotropici;
consentendo la produzione di virus in pochi giorni.
La linea utilizzata in questo lavoro di tesi è stata la Phoenix NX; gentilmente
fornita dal Dottor P. Chieco (Laboratorio CRBA, Bologna, Italia) . Questa linea è
mantenuta in coltura in DMEM supplementato del 10% di FBS, dell’1% di
glutammina e dell’1% di antibiotici (penicillina/streptomicina) e pretrattate con
clorochina ad una concentrazione finale di 25 µM.
49
Trasfezione con calcio fosfato
Il giorno prima della trasfezione sono state seminate 3x106 di cellule di packaging
Phoenix NX in una piastra per colture cellulari da 10 cm per avere una confluenza
del 60% nel momento della trasfezione. Una volta adese sono state trasfettate con
i complessi DNA-calcio fosfato preparati utilizzando 2X HBS (Hepes 50 mM,
KCl 10mM, destrosio 12 mM, NaCl 280mM, NaHPO4 x 7 H2O 1,5 mM), CaCl2 2
M, H2O ultrapura, 10 ug di vettore retro virale contenente il DNA.
La prima e seconda raccolta del virus sono state effettuate 48H e 72H dopo la
trasfezione e la sospensione virale, una volta filtrata, è stata conservata a –80° C
in aliquote pronte per l’uso. Per aumentare il titolo virale è stata effettuata
un’incubazione di 6 ore a 32°C prima di ogni raccolta del virus.
Curva di concentrazione dell’antibiotico di selezione
Per isolare i tipi cellulari trasfettati e la loro progenie si ricorre alla selezione per
un gene marcatore presente nel DNA esogeno, che consente alle cellule
trasformate di crescere in un terreno selettivo
Al fine di conoscere la concentrazione minima efficace da utilizzare per
selezionare la popolazione cellulare infettata con il virus sono state seminate le
HT-29 e le HCA-7 al 30% di confluenza in pozzetti da 3 cm2 . Al terreno di
coltura è stato aggiunto l’antibiotico di selezione , la puromicina, a 6 diverse
concentrazioni tra 0 e 7,5 ug/ml in 6 diversi pozzetti ed è stata valutata la crescita
cellulare nei 10 giorni successivi. La concentrazione stabilta per la selezione è
stata di 1g/ml di puromicina per entrambe le linee cellulari.
50
Trasfezione stabile delle linee HT-29 per il silenziamento di COX-2
La trasfezione stabile è caratterizzata dall’integrazione di DNA esogeno nel
genoma delle cellule riceventi ed è stata ottenuta tramite infezione retrovirale.
Infezione retrovirale
Sono state seminate 100.000 cellule HT-29 per pozzetto da 3 cm2 e una volta
adese è stata effettuata l’infezione con la sospensione retrovirale addizionata di
polibrene (Sigma, USA) alla concentrazione di 8 g/ml; tale sostanza aumenta
l’efficienza dell’infezione poiché essendo carica positivamente riduce la
repulsione tra le particelle virali e la membrana cellulare. L’infezione è stata
effettuata tramite ‘spinoculation’, in questa metodica l’ingresso nelle cellule da
parte del virus è facilitato da una serie di due centrifugate delle piastre in cui sono
seminate le cellule e il virus a 2000 rpm per 45’ a 32°C. Una volta terminata la
‘spinoculation’ le piastre sono state incubate a 32°C , CO2 5% per 6 ore;
dopodiché, una volta effettuato un cambio di terreno, sono state incubate a 37°C
per 48H. Si è utilizzata la stessa procedura per le HCA-7. L’efficienza di
trasfezione è stata analizzata attraverso l’espressione della GFP con il microscopio
a fluorescenza. Trascorse 48 ore dall’infezione le HT-29 infettate sono state
selezionate aggiungendo nel mezzo di coltura puromicina 1 µg/ml. La stessa
procedura è stata utilizzata per ottenere i cloni HT-29 pSUPER (-) infettati con il
vettore vuoto non contenente la sequenza dell’anti-COX-2 shRNA. L’espressione
di COX-2 nelle HT-29 WT (Wild Type) e nei cloni HT-29 pSUPER (+)
esprimenti l’anti COX-2 shRNA e pSUPER(-) è stata analizzata attraverso
Western Blot e Real-Time Polymerase Chain Reaction, come descritto .[Strillacci,
2006].
51
Saggio luciferasico TOPFLASH
Il saggio luciferasico è stato utilizzato per valutare l’attività della CA-IX nelle
HT-29 silenziate stabilmente per COX-2 (HT-29 shCOX-2) ed il rispettivo
controllo (HT-29 shCTR), sia tal quali sia sottoposte a DFX che sottoposte alle
PGE2 in presenza o assenza di UO-126.
Il plasmide Reporter pGL-3 (500ng) che contiene il gene della Firefly luciferasi
posto sotto il controllo del frammento che va da -174 a +63 del promotore della
CA-IX (CA-IX Luc, gentilmente fornito dal Dott. J. Pastorek, SlovaK Academy
of Sciences, Slovak Republic) ed il plasmide
Renilla (20 ng) contenente la
sequenza Renilla luciferasi posta sotto il controllo di un promotore
costitutivamente attivo, l’HSV-TK, e quindi utilizzato per la normalizzazione del
saggio (TK-Renilla, Promega, Madison, WI, USA) sono stati trasfettati nelle HT29 shCOX-2 e HT-29 shCTR seminate al 60 % di confluenza utilizzando il
protocollo di trasfezione transiente con lipofectamina. L’attività della luciferasi è
stata saggiata 24 ore dopo la trasfezione usando il sistema Dual-Luciferase
Reporter Assay System (Promega) e normalizzando l’attività della Firefly
luciferasi con quella della Renilla luciferasi. Il sistema si basa sull’utilizzo di due
enzimi luciferasi differenti, la cui sequenza è trascritta rispettivamente quando è
presente la CA-IX attiva (Firefly luciferasi) e costitutivamente dalla cellula
(Renilla luciferasi); tali enzimi metabolizzano due differenti substrati forniti dal
kit permettendo così di normalizzare il dato risultante dall’attivazione della CAIX.
52
Plasmide reporter pRL-TK codificante la Renilla luciferasi:
Le misurazioni della quantità di substrato metabolizzato sono effettuate al
luminometro, poiché la reazione sviluppa luminescenza:
Saggio ELISA per la determinazione delle PGE2
La concentrazione delle PGE2 nel terreno di coltura delle HT-29 shCOX-2 e nelle
HT-29 shCTR in condizioni normali di ossigeno ed in condizioni ipossiche (O2
2%) è stata determinata attraverso il saggio ELISA (Enzyme-Linked
ImmunoSorbent Assay, Cayman Chemical, Ann Arbor, MI, USA) seguendo le
istruzioni del produttore.
53
Le HT-29 sono state seminate in piastre da 6 pozzetti alla concentrazione di
5x105 cellule/pozzetto in 2 ml di medium di coltura. Dopo 48H il surnatante di
ogni campione è stato raccolto e centrifugato a 400Xg per 5 minuti a temperatura
ambiente, poi 100 μl di surnatante è stato utilizzato per eseguire il test. Ogni
campione è stato misurato in triplicato e gli esperimenti sono stati ripetuti tre
volte (n=3).
Zimografia
L’attività proteolica della Metalloproteinasi-2 (MMP-2) nelle HT-29 silenziate
stabilmente per COX-2 (shCOX-2) e in modo transiente per CA-IX (siCA-IX) e
relativi controlli (shCTR, siSCR) è stata valutata attraverso la zimografia. Questa
tecnica, che consiste in una corsa elettroforetica effettuata in condizioni native
permette l’individuazione delle proteasi in base alla loro attività biologica.
Preparazione del campione: le cellule sono state seminate in fiasche da 25 cm2 ad
una concentrazione di 1,2 x 104 cellule/ cm2, in un volume finale di 4 ml di
terreno. Il terreno di coltura dove sono rilasciate le metalloproteinasi in forma proenzimatica è stato prelevato e centrifugato a 1600 rpm per 5 minuti ed incubato
overnight con metanolo a -20 C. I campioni sono stati miscelati con sample buffer
contenente SDS allo 0,01%.
La separazione è stata ottenuta utilizzando un gel costituito dal 10% di
acrilammide e contenente 1 mg/ml di gelatina. Il gel, dopo la corsa, è stato
sottoposto per due volte ad un lavaggio della durata di 15 minuti con una
soluzione 2% Triton per rimuovere l’eccesso di SDS presente nel gel e nel
tampone di corsa. Dopo la rimozione del SDS il gel viene incubato a 37° per 18
ore in un tampone di incubazione (50 mM Tris/HCl, 0.15 M NaCl, 2%Triton, pH
54
7.6) per lasciar avvenire la reazione enzimatica di proteolisi; questa reazione è
stata visualizzata colorando con il Comassie Blu allo 0,125% e decolorando
l’intero gel con una soluzione al 2,5% di Triton. Le aree del gel in cui sono
localizzate le proteasi, per effetto della loro attività, si presenteranno come delle
bande chiare di idrolisi evidenti sullo sfondo omogeneo blu del gel (causato dalla
presenza del substrato). L’ampiezza delle bande non colorate è stata valutata
mediante lettura densitometrica.
Estrazione dell’RNA e retro trascrizione RT-PCR
Estrazione di RNA
Questa tecnica permette di estrarre L’RNA totale di una coltura cellulare. Il
protocollo prevede la raccolta delle cellule in 800µl di TRIzol Reagent
(Invitrogen) per pozzetto da 3cm2; il TRIzol contiene fenolo e guanidina
isotiocianato che è un inibitore del RNAsi. Successivamente, è stato aggiunto
cloroformio nella quantità di 1/5 del volume totale, quindi, il tutto è stato agitato
con il vortex per miscelare le due fasi e lasciato per 15 minuti in ghiaccio. Con la
centrifugazione si sono ottenute una fase acquosa e una fase organica separate da
un’interfaccia. E’ stata prelevata la fase acquosa contenente l’RNA, alla quale è
stato aggiunto un volume pari di isopropanolo che determina la precipitazione del
RNA. Dopo 15 minuti di incubazione in ghiaccio, è seguita una centrifugazione e,
eliminato il surnatante, si è lavato il pellet con etanolo 75%. Dopo il lavaggio in
etanolo il pellet di RNA è essiccato a temperatura ambiente per circa 15 minuti in
modo da far evaporare tutto l’alcool, potente inibitore della retrotrascrizione.
55
Quando il pellet diventa trasparente lo si solubilizza in acqua DEPC a temperatura
ambiente per 10 minuti. L’RNA è conservato a –80 C° .
Retrotrascrizione a cDNA
Questa tecnica consente di ottenere dal RNA messaggero il rispettivo cDNA.
L’RNA risultante dalla fase di estrazione è incubato per 10 minuti a 65°C per
solubilizzarlo e in modo da linearizzare le molecole di RNA (a tale temperatura,
inoltre, non agiscono le RNAsi). La concentrazione del RNA e la sua qualità sono
state determinate allo spettrofotometro (260, 280 μm). La retrotrascrizione è stata
eseguita in un volume totale di 20μl con 2μg di RNA totale usando la
retrotrascrittasi M-MLV (Invitrogen) alla presenza di 1μl di oligo-dT 0.5μg/μl,
1.5μl di dNTPs 10mM. Come primo filamento di sintesi è stato utilizzato Oligo(dT)12-18 primers (Invitrogen) che si lega al poliA degli mRNA. Per verificare che
la retrotrascrizione fosse avvenuta correttamente è stata fatta una PCR per la βeta
2-microglobulina (, un gene espresso in maniera costitutiva in tutte le linee
cellulari.
Il cDNA ricavato dalla retrotrascrizione è stato sottoposto a un “hot-start” a 95°C
per 2’, seguito da adeguati cicli di:
-denaturazione a 95°C per 1 minuto come specificato in seguito,
-annealing alla temperatura adatta per 1 minuto,
-estensione a 72°C per 1 minuto;
-estensione finale a 72°C per 7minuti.
I frammenti amplificati sono stati risolti su gel di agarosio all’1.8% La maggior
parte dei primers utilizzati sono stati disegnati a cavallo di esoni in modo da poter
56
discriminare eventuali contaminanti genomici del gene. La sequenza dei primers,
le temperature di annealing e la lunghezza degli ampliconi sono riassunte in
tabella 2.
GENE
Forward Primer
Reverse primer
CCTGTGCCTGATGATTGC
CTGATGCGTGAAGTGCTG
COX-2
CA-IX
C-MET
VEGF
HO-1
CAGGGACAAAGAAGGGGATGA
130
61.0
589
62.0
300
65.0
565
60.0
500
CTGAGCTATAGAGGCCTGGG
61.0
400
ATCTTCAAACCTCCATGATG
58.0
180
TTGGAAGTAGCGGCTGAAGT
ACAGTGGCATGTCAACATCGCT
GCTCGGTAGTCTACAGATTC
GAGAATTCGGCCTCCGAAACCA
GAGCATGCCCTCCTGCCCGGCT
T
CACCGC
CCCGACAGCATGCCCCAGGAT
GGAGTTCATGCGGGAGCGGTAG
AG
ACCCCCACTGAAAAAGATGA
(°C) (bp)
62.0
C
BCRP-1 GTTTATCCGTGGTGTGTCTGG
Ann. Amp
Tabella 2. Primers e condizioni di PCR. Ann: temperatura di Annealing ;
Amplicon lunghezza dell’amplicone; C-MET: Mesenchymal-Epithelial Transition
factor; VEFG: Vascular Endothelial Growth factor; HO-1: Heme oxygenase-1;
BCRP-1: Breast cancer resistance protein-1; Beta 2 microglobulina.
I prodotti della PCR sono stati poi caricati in un gel di agarosio al 2% contenente
bromuro di etidio e visualizzati con analisi fluorimetrica (Quantity One, Biorad).
Estrazione delle proteine e Western Blot
Ottenimento del pellet secco di cellule in coltura.
Le cellule, derivanti da un pozzetto di 3cm2, sono state:
57
trattate con tripsina (che successivamente è stata inattivata con terreno
supplementato di siero) per favorire il distacco dal pozzetto di coltura;
raccolte in una falcon da 15 ml;
centrifugate a 400g per 5 minuti a temperatura ambiente
dopo aver eliminato il surnatante, lavate con 10 ml PBS fresco per 5 minuti a
400 RCF a 4°C;
risospese in 1ml di PBS fresco in un eppendorf da 2ml;
centrifugate per 2 minuti a 5000 RCF a 4 C°
Lisi cellulare ed estrazione proteica
Abbiamo lisato le cellule utilizzando un buffer di lisi (10 mM HEPES, 142 mM
KCl, 2.5 MgCl2, 1 mM EDTA, 1 mM DTT, 0.2% NP-40) complementato con un
cocktail d’inibitori di proteasi e di fosfatasi (Sigma). E’ stato omogeneizzato
mediante siringa e incubato in ghiaccio per 30 minuti. L’omogenato e’ stato
centrifugato a 15.000g per 15 minuti e il sopranatante, contenente le proteine,
trasferito in una nuova provetta. La concentrazione di proteine è stata misurata
allo spettrofotometro utilizzando il metodo di Lowry. Le proteine assorbono alla
lunghezza d’onda di 550nm, un’aliquota di 10μl di surnatante proteico è sospesa
in una soluzione contenente i reagenti A e B (Biorad Laboratories) che legano lo
scheletro proteico; dopo 15 minuti di incubazione a temperatura ambiente i
campioni proteici sono letti allo spettrofotometro per determinare i valori di
assorbanza. Per misurare le concentrazioni di ciascun campione conoscendo
l’assorbanza è costruita una retta standard utilizzando tre aliquote a
concentrazione nota di albumina sierica bovina (Bsa); lo spettrofotometro applica
58
direttamente la legge di Lambert-Beer interpolando i valori di assorbanza dei
campioni sulla retta standard.
Western Blot
Questa tecnica prevede diverse fasi:
1. Corsa eletroforetica
I campioni proteici sono stati bolliti a 95˚C per 10 minuti in un tampone
contenente: 65mM Tris-HCl, pH 7.5, 65mM 2-mercaptoetanolo, 1% SDS, 10%
glicerolo e 0.003% blu di bromofenolo e caricati in un gel di poliacrilamide in
condizioni denaturanti; il B-mercaptoetanolo riduce i ponti disolfuro delle
proteine che, una volta bollite, tendono a disaggregarsi in singoli peptidi, l’SDS e’
un detergente anionico che si intercala nelle proteine denaturate e conferisce loro
una carica netta negativa a prescindere dalla grandezza del peptide e dalla
sequenza amminoacidica.
Le proteine caricate nel gel sono inserite in una camera elettroforetica
precedentemente riempita con il buffer di elettroforesi e sottoposte ad un campo
elettrico che permette la separazione dei singoli peptidi in funzione del solo peso
molecolare.
La corsa su gel si riparte in due fasi:
A) Nella prima fase le proteine attraversano una porzione di gel poco porosa
chiamata stacking (4% di poliacrilamide) durante la quale è impostato un
amperaggio modesto di 10mA. (STACKING GEL: Acrilammide 4%, TRIS 0.5M
a pH 6.8, SDS 10 % p/v, APS 10 % p/v, TEMED (100 mg/ml)).
B) Nella seconda fase le proteine percorrono la parte del gel piu’ porosa chiamata
running (la percentuale di acrilamide si imposta in base alla grandezza del peptide
59
da separare che nel nostro caso al 12% e 7,5%) ad un amperaggio superiore
rispetto al primo per facilitare lo scorrimento delle proteine nelle maglie piu’ fitte
del gel. (SEPARATION GEL: Acrilammide 12 % o 7.5%, TRIS 1.5 M a pH 8.8,
SDS 10% p/v, APS 10 % p/v, TEMED (100 mg/ml)).
Per ogni campione sono state caricate 50μg di proteine totali determinate
mediante il metodo di Lowry allo spettrofotometro.
2. Il blotting della membrana di nitrocellulosa
Le membrane sono state decolorate. Successivamente il gel è stato adagiato su
Hybond,
una
membrana
di
nitrocellulosa
(Amersham
Biosciences,
Buckingamshire, UK) e riposto nella camera di transfer in cui è generato un
campo elettrico che permette la migrazione delle proteine dal polo negativo a
quello positivo, in modo che avvenga il trasferimento dal gel alla membrana. La
procedura di trasferimento (blotting) è durata tutta la notte. La camera di transfer è
riempita con il buffer di transfer 1x e mantenuta fredda con siberini e ghiaccio.
- Buffer di transfer 5x = 14.5gr di glicina + 3gr di Tris in un litro di acqua
deionizzata
- Buffer di elettroforesi 5x= 14.5gr di glicina + 3gr di Tris +1gr di SDS in un
litro di acqua deionizzata.
3. Rivelazione tramite Ponceau S
Dopo il “western blot” si incuba il filtro in una soluzione 1x di Ponceau S finchè
le bande non siano visibili. Si lava la membrana con acqua deionizzata per
bloccare la colorazione.
60
4. Copertura dei siti aspecifici ed incubazione con anticorpo primario
La copertura dei siti aspecifici e’ stata fatta utilizzando latte scremato al 5% in
TBS. La membrana di nitrocellulosa è incubata per 45minnuti nella soluzione
latte-TBS; successivamente è lavata per allontanare le molecole di latte non legate
e incubata con l’anticorpo primario.
Quindi si è proceduto al riconoscimento vero e proprio della proteina mediante
l'utilizzo di anticorpi specifici, le diluizioni degli anticorpi usati e le condizioni
d’incubazione sono rappresentate nella tabella 3 riportata di seguito.
Anticorpi
Condizione di incubazione
Produttore
COX-2
1:500 in TBS-TB at 4°C o.n.
BD Transduction Laboratories, Lexington, KY, USA
ERK1/2
1:1000 in TBS-TB at 4°C o.n.
Cell Signalling Technology Inc., Danvers, MA, USA
pERK 1/2
1:1000 in TBS-TM at 4°C o.n.
Cell Signalling Technology Inc., Danvers, MA, USA
CA-IX
1:100 TBS-TM at r.t. for 3 h
M-75 (kindly provided by Dr. J. Pastorek, Slovak Academy
of Sciences, Slovak Republic, Bratislava)
VEGF
1:100 in TBS-TM at 4°C o.n.
Zymed Laboratories, San Francisco, CA, USA
MMP-2
1:600 in TBS-TM at 4°C o.n.
Santa Cruz Biotechnology Inc., Santa Cruz, CA, USA
HIF-1 α
1:300 in TBS-TM at 4°C o.n.
Upstate, Charlottesville, VI, USA
β-Actin
1:10000 in TBS-TM at r.t. for 1h
Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA
Tabella 3. Condizioni degli anticorpi primari per WB. TBS-TB buffer (20
mmol/L Tris, pH 7.6, 150 mmol/L NaCl, 0.1% Tween 20, 5% bovine serum
albumin). TBS-TM buffer (20 mmol/L Tris, pH 7.6, 150 mmol/L NaCl, 0.1%
Tween 20, 5% non-fat dry milk). ERK1/2: Extracellular Signal-Regulated Kinases
1-2; pERK1/2: Phospho- Extracellular Signal-Regulated Kinases 1-2; HIF1Hypoxia-Inducible Factor-1α; β-Actin: Beta- actina.
Rivelazione in chemiluminescenza
Dopo ripetuti lavaggi le membrane sono state incubate con l’anticorpo secondario
coniugato a una perossidasi (Envision) per 40 minuti a temperatura ambiente. E’
seguita un’incubazione con un anticorpo secondario. Lo sviluppo è stato fatto con
“enhanced chemioluminescence” ECL (Amersham, UK): si miscelano i due
61
substrati con un rapporto 1:1 per un volume finale di 5-10 ml. Si pone la
membrana nella soluzione: la perossidasi coniugata all’anticorpo secondario
reagisce con l’H2O2 presente in soluzione, libera O2 che provoca la reazione
luminosa del luminolo in corrispondenza delle bande di interesse. Si protegge la
membrana con un foglio trasparente e la si usa per esporre una lastra fotografica.
Tale metodo di rilevazione fornisce grande linearità del segnale relativo alla
concentrazione della proteina. Per minimizzare le differenze procedurali tra i
diversi Western Blotting, in ciascun gel/nitrocellulosa è stato ripetuto uno stesso
campione di riferimento.
La quantificazione è stata eseguita mediante una valutazione densitometrica
dell’intensità delle bande private del background utilizzando un software di analisi
d’immagine (Quantity-One 4.5, Fluor-S Multilmager, Bio-Rad Laboratories). E’
stata calcolata la media delle intensità delle bande dei riferimenti tra tutte le
nitrocellulose; poi per ciascuna nitrocellulosa è stato eseguito il rapporto tra la
media dei riferimenti e il valore di intensità del riferimento in quella specifica
nitrocellulosa.
Immunocitochimica
Il pellet secco ottenuto da cellule derivanti da tre pozzetti da 3cm2 è stato fissato
per 1H a temperatura ambiente in 500ul di formalina tamponata al 10% (Carlo
Erba, Milano Italia), dopo centrifugazione la formalina è stata aspirata. Al pellet è
stato aggiunto 100 ul di agarosio all’1% in PBS. Una volta che il pellet si è
solidificato al bottom della provetta si è prelevato con una pinzetta e posto tra due
spugnette nella cassettina per istologico. Si è proceduto con la processazione:
disidratazione in alcool, toluene e infine inclusione in paraffina. Ottenuto il pellet
62
cellulare incluso in paraffina si sono fatte delle fette di 5 um e si è proceduto con
la colorazione l’immunoistochimica per COX-2 e CA-IX descritta nei paragrafi
successivi.
PAZIENTI
In questo studio sono stati considerati 87 casi consecutivi di carcinoma colon
rettale sporadico (escludendo casi riferibili clinicamente a malattie ereditarie
come FAP o HNPCC) raccolti dall’Anatomia Patologica “G. Martinelli” del
Policlinico Sant’Orsola Malpighi. Di 17 casi era disponibile il relativo materiale
“fresco” congelato in azoto e conservato a -80 oC. Le caratteristiche demografiche
e clinico-patologiche dei pazienti sono riportate in Tabella 4. I casi sono stati
classificati per il grado istologico seguendo le linee guida WHO e per lo stadio i
criteri patologici pTNM (UICC) [Hamilton, 2000].
63
Caratteristica
Pazienti
n°
%
Età (anni)
Media
69.3±1.4
Range
32-89
Sesso
Femmine
37
42,5
Maschi
50
57,5
Colon destro
35
40,2
Colon sinistro
52
59,8
Sito di lesione
Diametro del tumore (mm)
Media
46.3±1.7
Range
5.5-75
Grado Istologico
Poco differenziato
8
9,2
Moderatamente differenziato
64
73,6
Ben differenziato
15
17,2
Stage I
10
11,5
Stage II
35
40,2
Stage III
35
40,2
Stage IV
7
8,1
Stadio Patologico
Tabella 4. Caratteristiche demografiche e clinico-patologiche dei pazienti
Procedura immunoistochimica
Dai preparati di tessuto fissato in formalina e incluso in paraffina sono state
ottenute sezioni dello spessore di 4 μm, raccolte su appositi vetrini porta oggetto
trattati con silano (3-amminopropil-trieossi-silano). Le sezioni istologiche sono
stati poi asciugate una notte in stufa a 37°C.
64
Sparaffinatura ed inibizione perossidasi endogene
Le sezioni istologiche sono state deparaffinate immergendole in xilolo (2 passaggi
da 16 minuti ciascuno) e poi passate in alcool etilico assoluto (3 passaggi da 3
minuti ciascuno). A questo punto, prevedendo la procedura l’utilizzo di
immunoenzimatica con perossidasi, le sezioni sono state trattate con una soluzione
di perossido di idrogeno 1,5% in alcool metilico assoluto (20 minuti a temperatura
ambiente) atta ad inibire l’attività perossidasica endogena e successivamente
accuratamente lavate in acqua distillata (3 lavaggi di 3 minuti ciascuno).
Sistemi di recupero dell’antigenicità (Antigen Retrieval)
Dato che la fissazione con aldeide formica ha mascherato parte o tutta la sequenza
conformazionale riconosciuta dagli anticorpi utilizzati, prima dell’incubazione con
l’anticorpo primario specifico si è proceduto con l’applicazione dei sistemi di
recupero dell’Antigenicità (Antigen Retrieval - AR). Il sistema di AR va calibrato
in funzione degli anticorpi utilizzati, per cui ad ogni anticorpo può corrispondere
un diverso trattamento. Nella Tabella 2 sono riassunte le caratteristiche degli
anticorpi e i rispettivi trattamenti di AR.
Il dettaglio del sistema di AR utilizzato è il seguente:
Bagno termostatato a 98°C: le sezioni sono inserite in un porta vetrini verticale e
immerse in tampone Citrato pH 6,0 pre-riscaldato a 98°C per 40 minuti.
Successivamente, il contenitore con le sezioni immerse nel tampone è tolto dal
bagno termostatato e lasciato raffreddare a temperatura ambiente per 20 minuti. Le
sezioni sono poi sciacquate con acqua distillata sterile (3 passaggi da 3 minuti
ciascuno) e quindi tamponate con PBS per 10 minuti.
65
Applicazione degli anticorpi e del sistema di rivelazione
Le sezioni portate a PBS sono ricoperte dalla soluzione a diluizione ottimale del
rispettivo anticorpo primario (Tabella 5), [Chrastina e Zat'ovicova, 2003] poste in
camera umida a temperatura ambiente e lasciate ad incubare per tutta la notte. Il
giorno dopo le sezioni vengono lavate con PBS e trattate utilizzando il sistema
non-biotina Novolink (Novocastra Laboratories UK). I passaggi consistono: nel
trattamento con il reagente Post-primary per 25 minuti a temperatura ambiente in
camera umida; terminata l’incubazione, le sezioni vengono ancora lavate con PBS
quindi trattate con il polimero contenente l’anticorpo anti-IgG del primario e
l’enzima perossidasi. Le sezioni vengono lasciate ad incubare per 30 minuti a
temperatura ambiente in camera umida. Infine, le sezioni vengono lavate con PBS
e quindi trattate con 3-3’-Diaminobenzidina tetraidrocloruro (DAB) additivata con
H2O2 (0,1% in PBS) (substrato specifico per l’enzima). La durata dell’incubazione
varia a seconda degli anticorpi utilizzati, anche se in genere è di 4-10 minuti.
Terminata questa fase, le sezioni vengono passate in acqua distillata e quindi
contrastate con Ematossilina di Mayer. Terminato il contrasto nucleare, le sezioni
vengono disidratate in soluzioni a concentrazione crescente di alcool etilico, sino
all’assoluto, e diafanizzate in xilolo per essere poi montate con resina Bio-mount
(BioOptica, Milano).
Antigene
Clone
Ditta
C-20
Santa Cruz
COX-2
policlonale
Biotechnology,USA
capra
C75
Fornito dal Dott. J.
CA-IX
monoclonale
Pastorek
Tabella 5. Anticorpi e sistemi di antigen retrieval
66
Diluizione Antigen Retrieval
1:1500
Citrato pH=6 98°C
40'
1:600
Nessuno
Valutazione semi-quantitativa delle reazioni immunoistochimiche
Per la quantificazione dell’immunopositività relativa alle proteine COX-2 e CAIX si è utilizzato uno score semi-quantitativo, chiamato Quickscore Moltiplicativo
(MQ) [Detre, 1995]. La percentuale delle cellule immuno-positive è stata valutata
attraverso un obbiettivo 100X, ed è stata classificata come:
score 0 se la positività è < 1%
score 1 se 1%<positività< 25%
score 2 se 25%<positività< 50%
score 3 se 50%<positività< 75%
score 4 se positività > 75%
L’intensità prevalente della reazione è stata valutata come 1 se debole, 2 se media,
3 se forte. Lo score finale si ottiene moltiplicando i due valori (percentuale x
intensità) e classificandoli come: Negativo “NEG” (valori inferiore a 1); Basso
“LOW” (valori compresi tra 1 e 4); Intermedio “INT” (valori compresi tra 4 e 8);
Positivo “POS” (valori superiori ad 8).
Analisi statistica
Le analisi sono state condotte utilizzando il pacchetto di programmi SPSS 10.1
(SPSS Inc, Chicago, IL, USA). Per tutte le analisi, il dato è stato considerato
significativo per valori di p<0,05. I valori sono riportati come Media±Errore
Standard (SE).
Le associazione tra le variabili continue sono state verificate attraverso l’Anova test
seguito dall’aggiustamento del Post Hoc test per le comparazioni multiple. Le
correlazioni tra le variabili sono state valutate con Spearman Correlation Rank test.
67
Le variabili ordinali e con una distribuzione non normale sono state analizzate con
il Mann-Whitney test (un rank test non parametrico).
Gli esperimenti di silenziamento stabile delle HT-29 ed HCA-7 con shCOX-2/CTR
sono stati condotti in collaborazione con il Dott. Antonio Strillacci nel laboratorio
del Pross.re Vittorio Tomasi presso il Dipartimento di Biologia Evoluzionistica
Sperimentale dell’Università di Bologna. L’immunoistochimica in collaborazione
con il Dott. Claudio Ceccarelli presso Unità Operativa di Anatomia Patologica del
Policlinico S.Orsola-Malpighi. Per gli esperimenti di ipossia reale è stato utilizzato
l’incubatore ipossico presso il laboratorio della Prof.ssa Carmela Fimognari nel
Dipartimento di Farmacologia dell’Università di Bologna. Tutta la restante
sperimentazione di questo lavoro è stata svolta nel Centro di Ricerca Biomedica
Applicata (CRBA) nel Policlinico S.Orsola-Malpighi.
68
RISULTATI
L’espressione di COX-2 e la produzione di PGE2 promuovono
l’up-regolazione di CA-IX attraverso ERK
Inizialmente abbiamo osservato che espressione proteica di COX-2 era associata
all’espressione della proteina CA-IX nelle quattro linee di cancro colon-rettale
esaminate (Figura 1A). Le HT-29 e le HCA7 avevano rispettivamente
un’espressione intermedia ed alta delle due proteine . (Figura 1A) .
Per capire se ci fosse una relazione funzionale tra l’espressione dei geni COX-2 e
CA-IX abbiamo infettato le HT-29 con il vettore pSUPER.retro codificante uno
specifico short hairping RNA diretto contro COX-2 (shCOX-2) ed il relativo
controllo (shCTR). Le HT-29 shCOX-2 hanno mostrato una minore espressione di
CA-IX sia come mRNA (RT-PCR) che come proteina (verificato sia con Western
Blotting sia attraverso immunocitochimica) rispetto le HT-29 shCTR (Figura 1B).
L’espressione di CA-IX è noto essere regolata da due pathways molecolari, la via
di HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor-1α) [Wykoff, 2000] o attraverso il pathway
di fosfo ERK1/2 (pERK1/2 Phospho- Extracellular Signal-Regulated Kinases 1-2)
[Kopacek, 2005 e Sansone, 2007] per questo motivo abbiamo valutato i livelli
proteici di HIF-1α, ERK1/2 e pERK1/2 nelle HT29 shCOX-2 e nelle HT29 shCTR.
Abbiamo osservato che le HT-29 shCOX-2 avevano un più basso livello di
espressione proteica di pERK rispetto le HT-29 shCTR, mentre l’espressione
proteica di HIF-1α non era riscontrabile nelle condizioni di coltura (Figura 1C).
69
Dato che COX-2 e le PGE2 sono in grado di attivare il pathway di ERK, abbiamo
testato il ruolo di ERK1/2 nell’interazione COX-2/CA-IX.
Abbiamo verificato che COX-2 è in grado di aumentare l’espressione di CA-IX
attraverso la produzione di PGE2, trattando le HT-29 con PGE2 1µM per 24 ore c’è
un aumento di CA-IX sia come RNA sia come proteina (Figura 1D) ed un aumento
di pERK come proteina (Figura 1D). L’aumento di CA-IX e pERK è inibito se si
pretrattano per 1 ora le HT-29 con UO-126 25µM, un inibitore di MEK1/ERK
(Figura 1D) anche in presenza del trattamento con le PGE2.
La regolazione dell’espressione del gene CA-IX attraverso il pathway PGE2/ERK è
stata inoltre valutata facendo un saggio di attività del promotore del gene CA-IX
(CA-IX Luc) nelle HT-29. Abbiamo constatato che le HT-29 shCOX-2 avevano un
minore livello di attività del CA-IX Luc rispetto alle HT-29 shCTR, inoltre
abbiamo osservato che somministrando le PGE2 c’era un aumento dell’attività di
CA-IX Luc dipendente da ERK (Figura 1E).
Questi dati indicano che la up-regolazione del gene COX-2, attraverso l’attivazione
dell’asse PGE2/ERK, promuove l’espressione del gene CA-IX in linee di cancro
del colon.
1A
Figura 1A Western Blot (WB) analisi di COX-2 e CA-IX in 4 linee di cancro del
colon: HCT-116, HT-29, Caco-2 e HCA-7.
70
1B
Figura 1B Parte superiore del pannello: Imminocitochimica (ICC) di COX-2 e
CA-IX. Parte inferiore del pannello: RT-PCR di COX-2, CA-IX e Beta-2
microglobulina (β2μ) e WB di CA-IX e COX-2 e β-actina delle HT-29 stabilmente
infettate con il vettore pSUPER.retro codificante per uno specifico short hairping
diretto contro COX-2 (shCOX-2) ed relativo controllo (shCTR).
71
1C
Figura 1C Western blot (WB) di pERK, ERK, HIF-1α e β-actina delle HT-29
stabilmente infettate con il vettore pSUPER.retro codificante per uno specifico
short hairping diretto contro COX-2 (shCOX-2) ed relativo controllo (shCTR).
1D
Figura 1D Le HT-29 sono trattate con PGE2 1µM per 24 ore in presenza o assenza
di UO-126 (25µM, pre-trattamento di 1 ora) o del controllo DMSO: RT-PCR di
CA-IX e Beta-2 microglobulina (β2μ) e WB di CA-IX, pERK, ERK, e β-actina.
72
1E
Figura 1E Saggio luciferasico del frammento del promotore di CA-IX che va da 174/+63 (CA-IX Luc) nelle HT-29 shCOX-2/CTR in presenza o assenza di PGE2
(1µM) e/o di UO-126 (25µM) o DMSO per 24 ore. L’attività luciferasica è
espressa come rapporto tra l’attività della Timidina Kinasi (TK) e la Renilla
Luciferasi.. Anova test## p<0.001, per comparazioni multiple corretto con Post
Hoc test.
L’interazione COX-2/CA-IX favorisce la capacità invasiva delle
cellule di cancro del colon
È noto che l’attivazione di ERK sia in grado di promuovere la capacità invasiva
delle cellule tumorali [Sheng, 2001 e Saxena, 2007]. Perciò abbiamo analizzato il
73
ruolo dell’interazione COX-2/CA-IX nella regolazione del potenziale invasivo in
cellule di cancro del colon.
Abbiamo verificato che sia le HT-29 shCOX-2 che le HT-29 trasfettate in modo
transiente con siRNA contro CA-IX hanno una minore capacità invasiva rispetto ai
corrispettivi controlli (HT-29 shCTR ed HT-29 siSCR) (Figura 2A). Abbiamo
escluso che la minor capacità invasiva fosse dovuta alla morte cellulare dato che
non abbiamo osservato morte cellulare nelle condizioni sperimentali (Figura 2A).
Data la stretta connessione tra l’epressione di COX-2 e l’attività delle Metallo
proteinasi (MMPS) [Byun, 2006 e Lee, 2006], abbiamo ipotizzato che la CA-IX sia
in grado di controllare l’attivazione delle MMPs [Svastova, 2004 e Swietach,
2007].
L’analisi attraverso western blot ha mostrato livelli significativamente più bassi
nella porzione extracellulare (forma attiva) della MMP-2 nelle HT-29 infettate
stabilmente con shCOX-2 e quelle trasfettate in modo transiente con siRNA contro
CA-IX rispetto ai relativi controlli (HT-29 shCTR ed HT-29 siSCR), ma non ha
mostrato nessuna differenza nella porzione intracellulare (forma inattiva) della
MMP-2 nelle HT-29 infettate stabilmente contro COX-2 e trasfettate in modo
transitorio con si RNA contro CA-IX ed i relativi controlli (Figura 2B).
Oltre alla diminuzione di dell’espressione proteina della MMP-2 nella porzione
extracellulare abbiamo confermato questo dato attraverso l’analisi dell’attività della
MMP-2 nel mezzo di coltura attraverso la zimografia.
Abbiamo osservato una diminuzione significativa dell’attività della MMP-2 nel
mezzo di coltura delle HT-29 infettate stabilmente contro COX-2 e trasfettate in
modo transitorio con si RNA contro CA-IX ed i relativi controlli (Figura 2B).
74
Questi dati suggeriscono che l’interazione COX-2/CA-IX sia in grado di
promuovere la capacità invasiva delle cellule di cancro del colon.
2A
Figura 2A Saggio di invasione con le camere di Boyden di 24 ore, RT-PCR del
mRNA di COX-2, CA-IX e Beta-2 microglobulina (β2μ) e saggio di morte
cellulare (24 ore) delle HT-29 infettate con shCOX-2/shCTR e trasfettate in modo
transiente con uno specifico siRNA contro CA-IX e relativo controllo (SCR) (1 μg,
48 ore di pre-esposizione)
75
2B
Figura 2B Western Blot (WB) della Metalloproteasi 2 (MMP-2) nella porzione
extracellulare (EXT, inattiva) e nella porzione intracellulare (INT, attiva) e saggio
di zimografia dell’attività della MMP-2 nelle HT-29 infettate con shCTR/COX-2 e
nelle HT-29 transitoriamente trasfettate con SCR/CA-IX siRNA ((1 μg, 48 ore di
pre-esposizione). La Beta-actina (β-actin) è stata utilizzata come controllo
quantitativo del WB. (Anova test, *p=0.001).
76
L’espressione
del
gene
COX-2
aumenta
la
capacità
di
sopravvivenza in ipossia delle cellule del cancro del colon
attraverso CA-IX
La CA-IX è un gene essenziale per la sopravvivenza cellulare in ambiente ipossico
[Swinson, 2003 e Sansone, 2007]. Un lavoro ha mostrato come COX-2 sia upregolato, in cellule tumorali di colon, dalla presenza dell’ambiente ipossico [Kaidi,
2006]. Abbiamo perciò studiato la regolazione del pathway COX-2/CA-IX in
presenza di ipossia. Abbiamo esposto le HT-29 silenziate stabilmente per COX-2
con shCOX-2 ed il relativo controllo shCTR ad ambiente ipossico con due
differenti metodi; aggiungendo un agente chimico nel mezzo di coltura la
Desferossamina (DFX, 100 µM per 48 ore) (ipossia simulata) o ponendo le cellule
in un incubatore al 2% O2 con il 95% N2/5% CO2 (ipossia reale) [Kaidi, 2006].
Questi esperimenti hanno evidenziato un aumento significativo delle PGE2,
determinate attraverso ELISA, nelle HT-29 shCTR rispetto alle HT-29 shCOX-2
sia in condizioni normali di ossigeno sia in ipossia (2% O2) (Figura 3A). Inoltre
abbiamo osservato un aumento significativo delle PGE2 nelle HT-29 shCTR in
condizioni ipossiche (2% O2) rispetto alle HT-29 shCTR in condizioni normali di
O2 ma non nelle HT-29 infettate stabilmente con shCOX-2 (Figura 3A). Nelle HT29 shCTR in condizioni ipossiche (DFX, 100 µM per 48 ore) abbiamo riscontrato
anche un forte aumento di COX-2 sia come mRNA che come proteina rispetto alle
HT-29 shCTR al 5% di O2 ma non nelle HT-29 infettate stabilmente con shCOX-2
(Figura 3A).
Abbiamo rilevato un aumento significativo dell’attività del promotore della CA-IX,
con il saggio della luciferasi, nelle HT-29 shCTR rispetto le HT-29 shCOX-2 sia in
77
condizioni normali di ossigeno sia in ipossia (100 µM per 48 ore) (Figura 3B). Gli
esperimenti rivelano un aumento significativo di tale attività se si mettono a
confronto le HT-29 shCTR in condizioni ipossiche (100 µM per 48 ore) rispetto
alle HT-29 shCTR in condizioni normali di O2, tale aumento non si riscontra per le
HT-29 infettate stabilmente con shCOX-2 (Figura 3B).
Nelle HT-29 shCTR in condizioni ipossiche (100 µM per 48 ore) abbiamo
riscontrato anche un forte aumento di CA-IX sia come mRNA che come proteina
rispetto alle HT-29 shCTR al 5% di O2 ma non nelle HT-29 infettate stabilmente
con shCOX-2 (Figura 3B).
Abbiamo esaminato l’espressione dell’mRNA e proteica di un pannello di geni che
è noto rispondere ad ipossia nelle HT-29 shCOX-2 ed il relativo controllo HT-29
shCTR sia in condizioni normali di ossigeno che in condizioni ipossiche (100 µM
per 48 ore): c-MET (Mesenchymal-Epithelial Transition factor), VEFG (Vascular
Endothelial Growth factor), HO-1 (Heme oxygenase-1), BCRP-1 (Breast cancer
resistance protein-1), ERK1/2 (Extracellular Signal-Regulated Kinases 1-2),
pERK1/2
(Phospho-Extracellular
Signal-Regulated
Kinases
1-2),
HIF-1α
Hypoxia-Inducible Factor-1α. Per verificare se tali geni fossero coinvolti nel
pathway regolato da COX-2 in condizioni ipossiche ma non abbiamo riscontrato
nessuna differenza dell’espressione di tali geni tra HT-29 shCOX-2 ed il controllo
HT-29 shCTR sia in condizioni normali di ossigeno che in condizioni ipossiche
(Figura 3C).
Abbiamo osservato che le HT-29 silenziate stabilmente per COX-2 (shCOX-2) e
quelle trasfettatte per CA-IX (siCA-IX) in condizioni ipossiche (DFX 100 µM o
2% O2 per 48 ore) muoiono in modo significativamente maggiore rispetto ai
controlli (HT-29 shCTR ed HT29 siSCR) (Figura 3D). Mentre in condizioni
78
normali di ossigeno non abbiamo riscontrato morte cellulare né per le HT29
shCOX-2 né per il controllo HT-29 shCTR. (Figura 3D).
Abbiamo analizzato l’importanza del pathway regolato da COX-2 per la
sopravvivenza cellulare in condizioni ipossiche nelle HT-29 sottoposte a DFX 100
µM per 48 ore, somministrando alle cellule le PGE2 1µM per 48 ore ed abbiamo
osservato una significativa diminuzione della morte cellulare. Tale riduzione era
annullata se le HT-29 erano pre-trattate per 1 ora con un inibitore di MEK1 , UO126 alla concentrazione di 25 µM (Figura 3E). Abbiamo verificato attraverso RTPCR e Western Blot che la somministrazione delle PGE2 era in grado di
aumentare nelle HT-29 l’espressione di CA-IX, tale espressione era inibita se si
pre-trattavano le cellule con UO-126 con una conseguente riduzione di pERK
(Figura 3E).
Oltre all’espressione di CA-IX nelle HT-29 trattate con DFX è stata studiata
l’attività del promotore di CA-IX nelle HT-29 shCOX-2 e nel controllo HT-29
shCTR in presenza ed assenza di UO-126 ed abbiamo verificato che in presenza
di ipossia le HT-29 shCTR hanno una maggiore espressione di CA-IX rispetto alla
HT-29 shCOX-2 (non significativa) tale attività viene inibita se si somministra
UO-126 sia nelle HT-29 shCOX-2 che nel controllo (in modo significativo)
(Figura 3F).
Il ruolo dell’interazione COX-2/CA-IX nella sopravvivenza in ipossia delle
cellule del cancro del colon è stato confermato anche in altre linee cellulari HCT116 ed HCA-7, abbiamo verificato che l’esposizione delle cellule a DFX 100 µM
per 48 ore promuove l’espressione dell’mRNA di CA-IX in modo dipendente da
COX-2 (Figure 3G-3H-3I). Le HCT-116 sono state silenziate in modo transiente
per COX-2 con la trasfezione di un siRNA contro COX-2 ed il relativo controllo
79
siCTR e sottoposte ad ipossia (DFX 100 µM per 48). In presenza di ipossia
l’espressione dell’mRNA di CA-IX è aumentata sia rispetto alle HCT-116 in
condizioni normali di ossigeno sia rispetto alle HCT-116 COX-2 siRNA
sottoposte ad ipossia (Figura 3G). Le HCT-116 COX-2 siRNA esposte ad ipossia
muoiono maggiormente rispetto al relativo controllo (Figura 3G). Gli stessi
risultati sono stati ottenuti silenziando in modo stabile le HCA-7 per COX-2
infettandole con shCOX-2 e relativo controllo shCTR (Figura 3H).
Per avere un’ulteriore conferma che la sopravvivenza delle HCT-116 in ipossia
dipendesse dalla CA-IX regolata da COX-2
le abbiamo silenziato in modo
transiente con un siRNA per CA-IX e con il relativo controllo siSCR, le abbiamo
sottoposte ad ipossia (DFX 100 µM per 48) in presenza o assenza di PGE2 1µM
per 24 ore. Abbiamo verificato che le HCT-116 siSCR in presenza delle PGE2
hanno una maggiore espressione del mRNA di CA-IX e sopravvivono
maggiormente in ipossia rispetto alle HCT-116 CA-IX siRNA (Figura 3I).
Infine abbiamo osservato che somministrando un inibitore specifico per COX-2
SC-236 (30 µM) alle HT-29 alle HCT-116 ed alle HCA-7 esposte ad ipossia c’era
una down-regolazione dell’mRNA di CA-IX ed un conseguente aumento della
morte cellulare (Figura 3L). Non abbiamo riscontrato morte cellulare in nessun
tipo cellulare trattato con SC-236 in assenza di ipossia (dati non mostrati).
Questi dati supportano l’ipotesi che l’interazione COX-2/CA-IX sia essenziale per
la sopravvivenza in ipossia delle cellule di cancro del colon.
80
3A
Figura 3A Saggio ELISA delle PGE2 e RT-PCR e WB di COX-2 nelle HT-29
infettate con shCTR/COX-2 in presenza o assenza di condizioni ipossiche (2% O2
o DFX 100 µM per 48 ore), Beta-2 microglobulina (β2μ) e Beta-actina (β-actin)
sono state utilizzata come controllo quantitativo della RT-PCR e del WB. (Anova
test, §p<0.001)
81
3B
Anova test § p<0.001
Figura 3B Saggio luciferasico per il promotore di CA-IX (CA-IX Luc assay 24
ore) RT-PCR e WB di CA-IX nelle HT-29 infettate con shCTR/COX-2 in presenza
o assenza di condizioni ipossiche (DFX 100 µM per 48 ore), Beta-2 microglobulina
(β2μ) e Beta-actina (β-actin) sono state utilizzata come controllo quantitativo della
RT-PCR e del WB. (Anova test, §p<0.001)
82
3C
Figura 3C RT-PCR di c-MET, HO-1, BCRP-1 eVEGF e Western Blot di HIF-1α,
pERK, ERK e VEGF nelle HT-29 nelle HT-29 infettate con shCTR/COX-2 in
presenza o assenza di condizioni ipossiche (DFX 100 µM per 48 ore), Beta-2
microglobulina (β2μ) e Beta-actina (β-actin) sono state utilizzata come controllo
quantitativo della RT-PCR e del WB.
83
3D
Figura 3D Saggio di morte cellulare delle HT-29 infettate con shCTR/COX-2 in
presenza o assenza di condizioni ipossiche (DFX 100 µM e 2% O 2 per 48). RTPCR di CA-IX e COX-2.WB di CA-IX, COX-2, HIF-1α, pERK ed ERK.
Saggio di morte cellulare delle HT-29 trasfettate transitoriamente con SCR/CA-IX
siRNA in presenza di DFX 100 per 48. RT-PCR di CA-IX e VEGF. Beta-2
microglobulina (β2μ) e Beta-actina (β-actin) sono state utilizzata come controllo
quantitativo della RT-PCR e del WB. (Anova test, §p<0.001).
84
3E
Figura 3E Saggio di morte cellulare in 48 ore ed RT-PCR di CA-IX e WB di CAIX, pERK, ERK delle HT-29 trattate con PGE2 1µM per 48 ore in presenza o
assenza di UO-126 (25 µM, un’ora di pretrattamento) o DMSO esposte a DFX 100
µM per 48 ore. Beta-2 microglobulina (β2μ) e Beta-actina (β-actin) sono state
utilizzata come controllo quantitativo della RT-PCR e del WB. (Anova test,
§
p<0.001).
85
3F
Figura 3F Saggio luciferasico del frammento del promotore di CA-IX che va da 174/+63 (CA-IX Luc) delle HT-29 shCOX-2/CTR sottoposte a DFX 100 µM per
48 ore in presenza o assenza di UO-126 (25µM, 1 ora di pre-trattamento) o DMSO.
L’attività luciferasica è espressa come rapporto tra l’attività della Timidina Kinasi
(TK) e la Renilla Luciferasi.. Anova test §p<0.001, per comparazioni multiple
corretto con Post Hoc test.
3G
Figura 3G Saggio di morte cellulare ed RT-PCR di CA-IX e COX-2 delle HCT116 trasfettate transitoriamente con CTR/COX-2 siRNA (1 µM 48 ore di preesposizione) ed esposte a DFX 100 µM per 48 ore. Beta-2 microglobulina (β2μ) è
state utilizzata come controllo quantitativo della RT-PCR. (Anova test, §p<0.001).
86
3H
Figura 3H Saggio di morte cellulare ed RT-PCR di CA-IX e COX-2 delle HCA-7
stabilmente infettate con shCOX-2/CTR ed esposte a DFX 100 µM per 48 ore.
Beta-2 microglobulina (β2μ) è state utilizzata come controllo quantitativo della
RT-PCR. (Anova test, §p<0.001).
3I
Figura 3I Saggio di morte cellulare ed RT-PCR di CA-IX delle HCT-116
trasfettate transitoriamente con SCR/CA-IX siRNA (1 µM, 24 ore di preesposizione) in presenza o assenza di PGE2 1µM per 24 ore ed esposte a DFX 100
µM per 48 ore. Beta-2 microglobulina (β2μ) è state utilizzata come controllo
quantitativo della RT-PCR. (Anova test, §p<0.001).
87
3L
Figura 3L Saggio di morte cellulare a 48 ore ed RT-PCR di CA-IX delle HT-29,
HCT-116 ed HCA-7 esposte a DFX 100 µM per 48 ore in presenza od asenza di
SC-236 (30 µM) o DMSO. Beta-2 microglobulina (β2μ) è state utilizzata come
controllo quantitativo della RT-PCR. (Anova test, §p<0.001).
Il pathway COX-2/CA-IX promuove il potenziale invasivo delle
cellule del cancro del colon
Per studiare l’importanza del pathway COX-2/CA-IX nella capacità invasiva in
ipossia delle cellule di cancro del colon abbiamo fatto delle colture ad alta densità,
piastrando le cellule ad una densità di 2x105 cellule/cm2. Le colture ad alta densità
favoriscono una up-regolazione della CA-IX, e mimano un ambiente ipossico
pericellulare [Kopacek, 2005 e Uenoyama, 2006 e Jakubickova, 2005].
Abbiamo osservato un aumento d’espressione di COX-2 e CA-IX (sia come
mRNA che come proteina) e di pERK nelle HT-29 ad alta densità
(2x105cells/cm2) rispetto le HT-29 a bassa densità (0.4x105cells/cm2) (Figura 4A).
88
Abbiamo riscontrato che le HT-29 ad alta densità avevano una maggiore capacità
invasiva (Figura 4A), tale capacità si è analizzata anche nelle HT-29 shCTR ad
alta densità ma non nelle HT-29 silenziate stabilmente per COX-2 shCOX-2 ad
alta densità (Figura 4B). Come atteso la capacità invasiva delle HT-29 ad alta
densità viene bloccata da CA-IX, infatti le HT-29 silenziate in modo transiente
per CA-IX con un siRNA hanno mostrato una riduzione della capacità invasiva
sia a bassa densità che ad alta densità (Figura 4C). In condizioni di alta densità
cellulare la vitalità cellulare è simile tra le HT-29 shCOX-2/ shCTR e tra le HT-29
siCA-IX/siSCR (dati non mostrati). Questi dati mostrano che l’interazione COX2/CA-IX modula la capacità invasiva delle cellule del colon in presenza di
un’ipossia media.
89
4A
Figura 4A Saggio di invasione cellulare a 24 ore ed RT-PCR di COX-2 e CA-IX,
Western blot di CA-IX, COX-2, pERK ed ERK delle HT-29 HIGH (alta densità
2x105cells/cm2) ed HT-29 LOW ( bassa densità 0.4x105cells/cm2). Beta-2
microglobulina (β2μ) e Beta-actina (β-actin) sono state utilizzata come controllo
quantitativo della RT-PCR e del WB. (Anova test, ºp<0.001).
90
4B
Figura 4B Saggio di invasione cellulare a 24 ore delle HT-29 infettate
stabilmente con shCTR/COX-2 a LOW (bassa densità) e HIGH (alta densità).
Anova test **p=0.006)
4C
Figura 4C Saggio di invasione cellulare a 24 ore ed RT-PCR di CA-IX delle HT29 trasfettate in modo transiente con SCR/CA-IX siRNA a LOW (bassa densità) e
HIGH (alta densità). Beta-2 microglobulina (β2μ) è state utilizzata come controllo
quantitativo della RT-PCR. Anova test °°p=0.01, °°°p<0.001).
91
L’alta espressione dei livelli proteici di COX-2 e CA-IX correla
con lo stadio tumorale nei pazienti con cancro del colon (CRC)
I risultati avuti in vitro suggeriscono che l’interazione di COX-2/CA-IX è
importante per il fenotipo maligno (capacità invasiva e sopravvivenza in ambiente
ipossico) delle linee di cancro del colon. Abbiamo infine studiato l’espressione
proteica
di
COX-2
e
CA-IX
in
87
pazienti
con
CRC
attraverso
immunoistochimica di questi pazienti in 17 casi avevamo a disposizione il tessuto
“fresco” ed abbiamo potuto analizzare l’espressione delle due proteine attraverso
western blot. L’analisi semiquantitativa IHC ha evidenziato una alta correlazione
tra l’espressione proteica di COX-2 e di CA-IX e lo stadio tumorale (stadioI-IV)
(Coeficente di correlazione di Spearman ρ═0.500, p═0.0005). La correlazione tra
le due proteine rimane anche quando si analizzano separatamente gli stadi (lo
stadio II ρ═0.640, p═0.0004; lo stadio III ρ═0.366, p═0.04; lo stadio IV ρ═0.847,
p═0.016) eccetto per lo stadio I (ρ═0.307, p═0.460). Un esempio dell’espressione
associata all’interno dello stadio II di COX-2 e CA-IX è rappresentato in Figura
5A. Sia l’analisi quantitativa con western blot (Figura 5B) che quella semiquantitativa con IHC (Figura 5C e 5D) dimostrano che c’è un aumento di
espressione proteica di COX-2 e CA-IX negli stadi III-IV rispetto agli stadi I-II.
Questi dati dimostrano che l’espressione proteica COX-2/CA-IX nei pazienti con
cancro del colon è associata ed aumenta all’aumentare dello stadio tumorale.
92
5A
Figura 5A IHC di CA-IX e COX-2 di pazienti di CRC di stadio II esprimenti
livelli L (Low bassi), I (Intermediate, intermedi ) ed H (High, alti) delle due
proteine. Scatter plot della valutazione semi-quantitativa dell’IHC (Quick score
Moltiplicativo, MQ) di CA-IX e COX-2 in 35 pazienti con CRC di stadio II.
93
5B
Figura 5B WB analisi dei livelli proteici di CA-IX e COX-2 di sei pazienti
rappresentativi di CRC a diversi stadi tumorali ed analisi densitometrica dei
livelli proteici di CA-IX e COX-2 determinata attraverso WB di 17 pazienti con
CRC (Mann-Whitney test: Stadi I-II vs Stadi III-IV: CA-IX #p=0.042; COX-2
p=0.48).
94
5C
Figura 5C IHC di CA-IX e COX-2 di 4 pazienti rappresentativi di CRC a diversi
stadi tumorali e valutazione semiquantitativi attraverso IHC di CA-IX e COX-2 di
82 pazienti di CRC (Mann-Whitney test: CA-IX MQ, p=0.14, COX-2 MQ
p=0.0011; stadi I-II vs stadi III-IV CA-IX p=0.075; COX-2,##p=0.003)
95
5D
Figura 5D IHC di CA-IX e COX-2 di tre diversi pazienti di CRC a tre stadi
tumorali diversi
96
DISCUSSIONE E CONCLUSIONI
In questo lavoro abbiamo dimostrato che, in cellule di cancro del colon (HT-29,
HT-116, HCA-7), l’enzima pro-infiammatorio Ciclo-ossigenasi-2 (COX-2) upregola l’espressione del gene in grado di rispondere ad ipossia l’Anidrasi
Carbonica-IX (CA-IX). Questo aumento di espressione di CA-IX è mediato dalle
PGE2 in grado di attivare ERK-1/2.
Nelle linee di cancro del colon l’asse CO-2/CA-IX favorisce il “fenotipo
aggressivo” cioè la capacità invasiva e la sopravvivenza in ipossia delle cellule.
Queste caratteristiche sono state precedentemente associate all’espressione
separata di questi geni in diversi modelli sperimentali [Kaidi, 2006 e Sansone,
2007]. In questo studio abbiamo mostrato l’esistenza di una stretta interazione di
COX-2/CA-IX in grado di promuove il fenotipo maligno delle cellule di cancro
del colon.
In precedenti lavori è stato dimostrato che l’espressione del gene CA-IX è
dipendente dal fattore di trascrizione HIF-1α e dall’attivazione di ERK [Kaidi,
2006; Kopacek, 2005 e Kaluz, 2006]. In questo studio abbiamo dimostrato che la
up-regolazione dell’espressione di COX-2 in condizioni ipossiche (DFX, 100 µM
o 2% O2 ) contribuisce all’aumento d’espressione di CA-IX in modo dipendente
da ERK.
La regolazione dell’espressione di CA-IX dipendente da ERK è già stata descritta
in alcuni lavori in cui le cellule sono poste in condizioni di coltura ad alta densità,
si crea un microambiente ipossico, attraverso la diminuzione del pO2 pericellulare
(ipossia media) [Uenoyama, 2006 e Jakubickova, 2005].
97
Abbiamo dimostrato, in accordo con la letteratura, che nelle cellule di cancro del
colon in condizioni di coltura ad alta densità si ha un aumento di espressione di
COX-2 in grado di promuovere l’espressione di CA-IX e la capacità invasiva
delle cellule. Questi dati indicano che l’ipossia ed il microambiente a media
ipossia (colture ad alta densità) sono in grado di aumentare le caratteristiche
maligne delle cellule di CRC attraverso l’asse COX-2/CA-IX.
L’espressione del gene CA-IX contribuisce all’acidificazione del microambiente
extracellulare perché catalizza l’idratazione della CO2 in acido carbonico e
produzione di ioni idrogeno carichi positivamente, un fenomeno che induce
l’attivazione extracellulare delle Metalloproteasi, MMPs [Swietach, 2007].
Importanti sono i lavori di Sheng e Saxena [2001, 2007] che dimostrano come la
produzione delle PGE2 e l’attivare di ERK-1/2 sono in grado di aumentare la
capacità invasiva delle cellule di cancro del colon ed attivano le MMPS nelle
cellule di epatocarcinoma.
Nel nostro studio abbiamo dimostrato che l’aumento di espressione dell’asse
COX-2/CA-IX attiva la Metalloproteasi-2 (MMP-2), un enzima che è stato
provato essere importante per la sopravvivenza dei pazienti con CRC [Hilska,
2007].
L’espressione di CA-IX è ritenuta un marker di ipossia in vivo [Swinson, 2003] e
correla con una prognosi peggiore in diversi tipi di tumore [Hussain, 2007;
Brennan, 2006]. Nei tessuti di CRC l’espressione del gene CA-IX è stata associata
allo stato di proliferazione cellulare [Goethals, 2006 ; Saarnio, 1998].
In questo studio abbiamo verificato che l’espressione di CA-IX nei pazienti con
CRC correla con lo stadio, questo dato suggerisce che l’aumento di espressione di
questo enzima aumenta con il grado di aggressività tumorale. In studi precedenti è
98
stato dimostrato che l’espressione di COX-2 correla con una prognosi peggiore
nei pazienti di CRC [Brown, 2005; Soumaoro, 2004].
Si può quindi proporre di valutare insieme l’espressione di COX-2 e CA-IX come
un unico marcatore in pazienti con CRC in cui sia disponibile la sopravvivenza a
lungo termine (dieci anni di follow-up), per verificare se la combinazione di
questi due markers sia in grado di identificare un sotto-gruppo di pazienti con un
differente rischio di ricaduta.
COX-2 gioca un ruolo fondamentale nel processo infiammatorio nei pazienti con
CRC [Brown, 2005]. Le molecole infiammatorie favoriscono la crescita e
promuovono l’aggressività delle cellule di CRC [Petersen, 2002; Cleven, 2007].
I dati mostrati in questo studio suggeriscono che il fenotipo aggressivo dipendente
da CA-IX possa anche essere sotto il controllo dell’infiammazione.
L’aumento di espressione di CA-IX derivato dall’infiammazione potrebbe
spiegare la scarsa correlazione in vivo tra l’espressione della proteina CA-IX e la
presenza di ipossia in pazienti di CRC. [Goethals, 2006]
In modo speculativo l’espressione in vivo di CA-IX potrebbe essere un indicatore
dell’attivazione di COX-2 in conseguenza all’esposizione delle cellule di CRC a
vari stimoli presenti nel microambiente tumorale quali l’ipossia , dovuta alla
crescita eccessiva delle cellule, e l’infiammazione.
Gli inibitori di COX-2 farmaci anti-infiammatori non steroidei (NSAIDs) sono
stati proposti come tools terapeutici per trattare i pazienti con CRC [Liao, 2007]
ed ad oggi sono stati sintetizzati tutta una serie di inibitori di CA-IX [Winum,
2007].
99
I nostri dati suggeriscono che la down-regolazione farmacologica dell’asse COX2/CA-IX possa essere una strategia per diminuire l’aggressività delle cellule di
CRC [Dogne, 2007; Stubbs, 2000; Winum, 2008].
In conclusione i dati presentati in questo studio mostrano che il fenotipo
aggressivo delle cellule di CRC è controllato dal pathway COX-2/CA-IX che può
essere regolato da due condizioni del microambiente tumorale, infiammazione ed
ipossia, che sono legate alla crescita tumorale e al fenotipo maligno in pazienti
con CRC.
100
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